Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu za 2017. dodijeljena je za otkri?e gena koji odre?uju rad biolo?kog sata - unutar?elijskog mehanizma koji kontrolira cikli?ne fluktuacije biolo?kih procesa povezanih sa promjenom dana i no?i. Dnevno ili svojstveno svim ?ivim organizmima, od cijanobakterija do vi?ih ?ivotinja.

Naravno, svaki nau?ni rezultat koji je dobio takvo svjetsko priznanje zasniva se na dostignu?ima svojih prethodnika. Po prvi put, koncept biolo?kog sata nastao je jo? u 17. stolje?u, kada je francuski astronom Jean Jacques de Meran otkrio da dnevni ritam kretanja li??a biljaka ne nestaje ni u mraku: on je kruto „programiran “, a ne zbog djelovanja okoline.

Od tog trenutka po?elo je prou?avanje fenomena biolo?kih satova. Pokazalo se da se u gotovo svim ?ivim organizmima odvijaju cikli?ni procesi sa dnevnim ili skoro dnevnim periodom. ?ak i u nedostatku glavnog vanjskog faktora sinhronizacije - promjene dana i no?i, organizmi nastavljaju da ?ive u skladu sa dnevnim ritmom, iako period ovog ritma mo?e biti du?i/kra?i od du?ine dana, u zavisnosti od individualne karakteristike.

Genetska osnova biolo?kog sata prvi put je ustanovljena 1970-ih kada je Per gen (iz perioda) otkriven u vo?noj mu?ici. Autori ovog otkri?a, Seymour Benzer i njegov u?enik Ronald Konopka sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju, izveli su eksperiment velikih razmjera, rade?i sa stotinama laboratorijskih linija muva dobijenih hemijskom mutagenezom. Nau?nici su primijetili da je s istim periodom osvjetljenja kod nekih muva, period dnevnog ritma spavanja i budnosti postao ili znatno kra?i od uobi?ajenog dana (19 sati) ili du?i (28 sati); pored toga, prona?eni su i "aritmici" sa potpuno asinhronim ciklusom. U poku?aju da identifikuju gene koji kontroli?u cirkadijalni ritam kod vo?nih mu?ica, nau?nici su pokazali da su poreme?aji ritma povezani sa mutacijama u nepoznatom genu ili grupi gena.

Tako su budu?i nobelovci Hall, Rosbash i Young ve? imali na raspolaganju linije mu?ica sa genetski odre?enim promjenama u periodu spavanja i budnosti. Godine 1984. ovi nau?nici su izolovali i sekvencirali ?eljeni Per gen i otkrili da nivo proteina koji on kodira varira dnevno, dosti?u?i vrhunac no?u i opadaju?i tokom dana.

Ovo otkri?e dalo je novi podsticaj istra?ivanjima ?ija je svrha da se shvati za?to mehanizmi cirkadijanskih ritmova funkcioni?u na ovaj na?in, a ne druga?ije, za?to se dnevni period mo?e razlikovati kod razli?itih pojedinaca, ali se istovremeno ispostavilo da je otporan na vanjske faktore kao ?to je temperatura (Pittendrich, 1960). Tako je rad na cijanobakterijama (plavo-zelenim algama) pokazao da se s porastom temperature za 10 ?S dnevni period njihovih cikli?kih metaboli?kih procesa mijenja za samo 10-15%, dok se, prema zakonima kemijske kinetike, ova promjena bi trebala biti gotovo red! Ova ?injenica je postala pravi izazov, jer sve biohemijske reakcije moraju po?tovati pravila hemijske kinetike.

Sada su se nau?nici slo?ili da ritam cikli?nih procesa ostaje prili?no stabilan jer je dnevni ciklus odre?en vi?e od jednog gena. Godine 1994. Young je otkrio Tim gen u Drosophili, koji kodira protein uklju?en u regulaciju nivoa PER proteina. S pove?anjem temperature pove?ava se proizvodnja ne samo proteina koji sudjeluju u formiranju cirkadijalnog ciklusa, ve? i drugih proteina koji ga inhibiraju, kao rezultat toga, rad biolo?kog sata ne zaluta.

Kod sisara je otkrivena ?itava porodica cirkadijanskih gena - Bmal1, Clock, Cry1-2, Per1-3, ?iji je mehanizam podlo?an principu povratne sprege. BMAL1 i CLOCK proteini aktiviraju Per i Cry gene, ?to rezultira sintezom PER i CRY proteina. Kada ovi proteini postanu obilni, oni po?inju da potiskuju aktivnost BMAL1 i CLOCK, ?ime se smanjuju njihova sinteza. Kada se koli?ina PER i CRY proteina smanji na odre?eni nivo, BMAL1 i CLOCK se ponovo aktiviraju. Ciklus se nastavlja

Osnovni mehanizmi cirkadijanskih ritmova su do danas dovoljno prou?eni, iako su mnogi detalji ostali nerazja?njeni. Dakle, nije jasno kako u jednom organizmu istovremeno mo?e koegzistirati nekoliko „satova“: kako se ostvaruju procesi koji se odvijaju u razli?itim periodima? Na primjer, u eksperimentima u kojima su ljudi ?ivjeli u zatvorenom prostoru ili u pe?ini bez dobijanja informacija o promjeni dana i no?i, njihovoj tjelesnoj temperaturi, lu?enju steroidnih hormona i drugim fiziolo?kim parametrima ciklusi su u periodu od oko 25 sati. , periodi spavanja i budnosti mogu varirati od 15 do 60 popodne (Wever, 1975).

Prou?avanje cirkadijanskih ritmova je tako?e va?no za razumevanje funkcionisanja organizma u ekstremnim uslovima, na primer, na Arktiku, gde prirodni faktori sinhronizacije cirkadijanskih ritmova ne deluju u polarnim danono?nim uslovima. Postoje uvjerljivi dokazi da dug boravak u takvim uvjetima kod ljudi zna?ajno mijenja cirkadijalne ritmove brojnih funkcija (Moshkin, 1984). Sada prepoznajemo da ovaj faktor mo?e zna?ajno utjecati na ljudsko zdravlje, a poznavanje molekularne osnove cirkadijalnih ritmova trebalo bi pomo?i u identifikaciji varijanti gena koje ?e biti “korisne” kada se radi u polarnim uvjetima.

Ali znanje o bioritmima nije va?no samo za polarne istra?iva?e. Cirkadijalni ritmovi uti?u na na? metabolizam, funkciju imunolo?kog sistema i upalu, krvni pritisak, tjelesnu temperaturu, funkciju mozga i jo? mnogo toga. Efikasnost odre?enih lijekova i njihove nuspojave zavise od doba dana. Uz prisilni nesklad izme?u unutra?njeg i vanjskog „sata“ (na primjer, zbog leta na velikim geografskim ?irinama ili rada u no?noj smjeni), mogu se uo?iti razne tjelesne disfunkcije, od poreme?aja gastrointestinalnog trakta i kardiovaskularnog sistema do depresije, istovremeno pove?avaju?i rizik od razvoja raka.. bolesti.

Knji?evnost

PITTENDRIGH C.S. Cirkadijalni ritmovi i cirkadijalna organizacija ?ivih sistema. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1960; 25:159-84.

Wever, R. (1975). "Cirkadijalni vi?eoscilatorni sistem ?ovjeka". Int J Chronobiol. 3(1): 19–55.

Moshkin M.P. Utjecaj re?ima prirodnog svjetla na bioritmove polarnih istra?iva?a // Humana fiziologija. 1984, 10(1): 126-129.

Pripremila Tatjana Morozova

Sva ?iva bi?a na Zemlji - od biljaka do vi?ih sisara - po?tuju dnevne ritmove. Kod ljudi se, u zavisnosti od doba dana, cikli?no mijenja fiziolo?ko stanje, intelektualne sposobnosti, pa ?ak i raspolo?enje. Nau?nici su dokazali da su krive fluktuacije u koncentraciji hormona u krvi. Poslednjih godina mnogo je ura?eno u nauci o bioritmima, hronobiologiji, da se utvrdi mehanizam nastanka dnevnih hormonalnih ciklusa. Nau?nici su otkrili "cirkadijalni centar" u mozgu, a u njemu - takozvane "geni sata" biolo?kih zdravstvenih ritmova.

HRONOBIOLOGIJA - NAUKA O DNEVNIM RITMIMA ORGANIZMA

Godine 1632. engleski prirodnjak John Wren, u svom "Treatise on Herbs" ("Herbal Treatise"), prvi je opisao dnevne cikluse tkivnih te?nosti u ljudskom tijelu, koje je, slijede?i Aristotelovu terminologiju, nazvao "humorima" ( lat. humor- te?nost). Svaka od "plime" tkivne te?nosti, prema Renu, trajala je ?est sati. Humoralni ciklus po?eo je u devet sati uve?e pu?tanjem prvog humora ?u?i - "?opa" (gr?. chole- ?u?) i nastavio do tri ujutro. Zatim je do?la faza crne ?u?i - "melanholija" (gr?. melas- crna, chole- ?u?), nakon ?ega slijedi sluz - "flegma" (gr?. flegma- sluz, sputum), i, kona?no, ?etvrti humor - krv.

Naravno, nemogu?e je povezati humor sa trenutno poznatim fiziolo?kim te?nostima i izlu?evinama tkiva. Moderna medicinska nauka ne prepoznaje nikakvu vezu izme?u fiziologije i misti?nog humora. Pa ipak, obrasci promjena raspolo?enja, intelektualnih sposobnosti i fizi?kog stanja koje opisuje Wren imaju potpuno nau?nu osnovu. Nauka koja prou?ava dnevne ritmove tijela naziva se hronobiologija (gr?. chronos- vrijeme). Njegove osnovne koncepte formulisali su istaknuti njema?ki i ameri?ki znanstvenici profesori Jurgen Aschoff i Colin Pittendrig, koji su ?ak bili nominirani za Nobelovu nagradu po?etkom 1980-ih. Ali, na?alost, nikada nisu dobili najvi?u nau?nu nagradu.

Glavni koncept hronobiologije su dnevni ciklusi, ?ije je trajanje periodi?no - oko (lat. circa) dan (lat. umire). Stoga se naizmjeni?ni dnevni ciklusi nazivaju cirkadijalni ritmovi. Ovi ritmovi su direktno povezani sa cikli?kom promjenom osvjetljenja, odnosno sa rotacijom Zemlje oko svoje ose. Imaju ih sva ?iva bi?a na Zemlji: biljke, mikroorganizmi, beski?menjaci i ki?menjaci, do vi?ih sisara i ljudi.

Svima nam je poznat cirkadijalni ciklus bu?enja i spavanja. Godine 1959. Aschoff je otkrio obrazac koji je Pittendrig predlo?io da nazove Aschoffovo pravilo. Pod ovim imenom u?ao je u hronobiologiju i istoriju nauke. Pravilo ka?e: "Kod no?nih ?ivotinja, aktivni period (budnost) je du?i pri stalnom svjetlu, dok je kod dnevnih ?ivotinja budnost du?a u stalnoj tami." I zaista, kako je Aschoff naknadno ustanovio, uz produ?enu izolaciju osobe ili ?ivotinje u mraku, ciklus budno-spavanje se produ?ava zbog pove?anja trajanja faze budnosti. Iz Aschoffovog pravila slijedi da je svjetlost ta koja odre?uje cirkadijalne fluktuacije tijela.

HORMONI I BIORITMI

Tokom cirkadijanskog dana (budnosti), na?a fiziologija je uglavnom pode?ena da obra?uje uskladi?tene nutrijente kako bi osigurala energiju za aktivan svakodnevni ?ivot. Naprotiv, tokom cirkadijalne no?i dolazi do akumulacije hranljivih materija, obnavljanja i „popravke“ tkiva. Kako se pokazalo, ove promjene u brzini metabolizma reguli?e endokrini sistem, odnosno hormoni. Postoji mnogo sli?nosti s Wrenovom humoralnom teorijom u tome kako funkcionira endokrini mehanizam za kontrolu cirkadijalnih ciklusa.

Uve?e, prije no?i, "no?ni hormon" - melatonin - osloba?a se u krv iz takozvanog gornjeg mo?danog dodatka - epifize. Ovu nevjerovatnu tvar proizvodi epifiza samo no?u, a vrijeme njenog prisustva u krvi direktno je proporcionalno trajanju svjetlosne no?i. U nekim slu?ajevima, nesanica kod starijih osoba je povezana sa nedovoljnim lu?enjem melatonina od strane epifize. Preparati melatonina se ?esto koriste kao pilule za spavanje.

Melatonin uzrokuje smanjenje tjelesne temperature, osim toga reguli?e trajanje i promjenu faza sna. ?injenica je da je ljudski san izmjena sporih i paradoksalnih faza. Sporotalasni san karakterizira niskofrekventna aktivnost mo?dane kore. Ovo je "spavanje bez zadnjih nogu", vrijeme kada mozak potpuno miruje. Tokom REM sna pove?ava se u?estalost fluktuacija elektri?ne aktivnosti mozga i mi sanjamo. Ova faza je blizu budnosti i slu?i kao „odsko?na daska“ za bu?enje. Sporotalasna i paradoksalna faza smenjuju se 4-5 puta tokom no?i, u vremenu sa promenama koncentracije melatonina.

Po?etak svijetle no?i pra?en je drugim hormonskim promjenama: pove?ava se proizvodnja hormona rasta, a smanjuje se proizvodnja adrenokortikotropnog hormona (ACTH) od strane drugog mo?danog dodatka, hipofize. Hormon rasta stimuli?e anaboli?ke procese, kao ?to su reprodukcija ?elija i nakupljanje nutrijenata (glikogen) u jetri. Nije ni ?udo ?to ka?u: "Djeca rastu u snu." ACTH izaziva osloba?anje adrenalina i drugih "hormona stresa" (glukokortikoida) iz korteksa nadbubre?ne ?lijezde u krv, pa smanjenje njegovog nivoa omogu?ava da otklonite dnevno uzbu?enje i mirno zaspite. U trenutku uspavljivanja iz hipofize se osloba?aju opioidni hormoni koji imaju narkoti?no dejstvo, endorfini i enkefalini. Zato je proces uspavljivanja pra?en prijatnim senzacijama.

Prije bu?enja, zdravo tijelo treba biti spremno za aktivnu budnost, u ovom trenutku kora nadbubre?ne ?lijezde po?inje proizvoditi hormone koji pobu?uju nervni sistem - glukokortikoide. Najaktivniji od njih je kortizol, koji dovodi do pove?anja pritiska, ubrzanog rada srca, pove?anog vaskularnog tonusa i smanjenog zgru?avanja krvi. Zato klini?ka statistika pokazuje da se akutni sr?ani i intracerebralni hemoragi?ni mo?dani udari uglavnom javljaju u ranim jutarnjim satima. Sada se razvijaju lijekovi za sni?avanje krvnog tlaka koji mogu dosti?i maksimalnu razinu u krvi samo ujutro, sprje?avaju?i smrtonosne napade.

Za?to neki ljudi ustaju “prije zore”, a drugima ne smeta spavati do podneva? Ispostavilo se da poznati fenomen "sova i ?eva" ima potpuno nau?no obja?njenje, koje se zasniva na radu Jamie Seitzera iz Centra za istra?ivanje spavanja na Univerzitetu Stanford u Kaliforniji. Otkrila je da se minimalna koncentracija kortizola u krvi obi?no javlja usred no?nog sna, a svoj vrhunac posti?e prije bu?enja. Kod "?ava" se maksimalno osloba?anje kortizola javlja ranije nego kod ve?ine ljudi - u 4-5 sati ujutro. Stoga su "?ave" ujutru aktivnije, ali se uve?e br?e umaraju. Obi?no rano po?nu zaspati, jer hormon spavanja - melatonin ulazi u krvotok mnogo prije pono?i. Kod "sova" situacija je obrnuta: melatonin se osloba?a kasnije, bli?e pono?i, a vrhunac osloba?anja kortizola se pomjera na 7-8 ujutro. Navedeni vremenski okviri su isklju?ivo individualni i mogu varirati u zavisnosti od te?ine jutarnjeg ("?ava") ili ve?ernjeg ("sova") hronotipa.

"CIRCAD CENTAR" JE U MOZGU

Koji je to organ koji kontrolira cirkadijalne fluktuacije koncentracije hormona u krvi? Dugo vremena nau?nici nisu mogli prona?i odgovor na ovo pitanje. Ali niko od njih nije sumnjao da bi "cirkadijalni centar" trebao biti u mozgu. Njegovo postojanje predvidjeli su i osniva?i hronobiologije Aschoff i Pittendrig. Pa?nju fiziologa privukla je struktura mozga poznata anatomima dugo vremena - suprahijazmatsko jezgro, smje?teno iznad (lat. Super) ukr?teno (gr. chiasmos) opti?ki nervi. Ima oblik cigare i sastoji se, na primjer, od glodara od samo 10.000 neurona, ?to je vrlo malo. Drugo jezgro, koje se nalazi blizu njega, je paraventrikularno i sadr?i stotine hiljada neurona. Du?ina suprahijazmatskog jezgra je tako?er mala - ne vi?e od pola milimetra, a volumen je 0,3 mm 3.

Godine 1972. dvije grupe ameri?kih istra?iva?a uspjele su pokazati da je suprahijazmatsko jezgro kontrolni centar biolo?kog sata tijela. Da bi to u?inili, mikrohirurgijom su uni?tili jezgro u mozgu mi?eva. Robert Moore i Victor Eichler otkrili su da kod ?ivotinja s nefunkcionalnim suprahijazmatskim jezgrom nestaje cikli?no osloba?anje hormona stresa - adrenalina i glukokortikoida - u krv. Druga nau?na grupa koju su predvodili Frederick Stefan i Irwin Zucker prou?avala je motori?ku aktivnost glodara sa udaljenim "cirkadijanskim centrom". Obi?no su mali glodari nakon bu?enja uvijek u pokretu. U laboratorijskim uvjetima, kabel je spojen na to?ak u kojem ?ivotinja tr?i na mjestu kako bi se zabilje?ilo kretanje. Mi?evi i hr?ci u kota?u pre?nika 30 cm tr?e 15-20 km dnevno! Na osnovu dobijenih podataka grade se grafovi koji se nazivaju aktogrami. Pokazalo se da uni?tavanje suprahijazmatskog jezgra dovodi do nestanka cirkadijalne motori?ke aktivnosti ?ivotinja: periodi spavanja i budnosti u njima postaju kaoti?ni. Oni prestaju da spavaju tokom cirkadijalne no?i, odnosno tokom dana, i ostaju budni tokom cirkadijalnog dana, odnosno nakon mraka.

Suprahijazmatsko jezgro je jedinstvena struktura. Ako se ukloni iz mozga glodavaca i stavi u "udobne uslove" sa toplim hranljivim medijumom zasi?enim kiseonikom, tada ?e se tokom nekoliko meseci u neuronima jezgra cikli?ki menjati frekvencija i amplituda polarizacije membrane, kao i nivo proizvodnje razli?itih signalnih molekula - neurotransmitera koji prenose nervni impuls iz jedne ?elije u drugu.

?ta poma?e suprahijazmatskom jezgru da odr?i tako stabilnu cikli?nost? Neuroni u njemu su veoma blizu jedan drugom, formiraju?i veliki broj me?u?elijskih kontakata (sinapsa). Zbog toga se promjene elektri?ne aktivnosti jednog neurona a trenutno prenose na sve stanice jezgra, odnosno sinkronizira se aktivnost stani?ne populacije. Osim toga, neuroni suprahijazmatskog jezgra povezani su posebnom vrstom kontakata, koji se nazivaju praznine. To su dijelovi membrana susjednih stanica, u koje su ugra?ene proteinske cijevi, takozvani koneksini. Kroz ove cijevi, tokovi jona se kre?u od jedne ?elije do druge, ?to tako?er sinhronizuje "rad" neurona u jezgru. Uvjerljive dokaze o takvom mehanizmu iznio je ameri?ki profesor Barry Connors na godi?njem kongresu neurobiologa "Neuroscience-2004", odr?anom u oktobru 2004. godine u San Diegu (SAD).

Po svoj prilici, suprahijazmatsko jezgro igra va?nu ulogu u za?titi organizma od nastanka malignih tumora. Dokaz za to su 2002. godine pokazali francuski i britanski istra?iva?i predvo?eni profesorima Francisom Levyjem i Michaelom Hastingsom. Mi?evi sa uni?tenim suprahijazmatskim nukleusom inokulirani su kancerogenim tumorima ko?tanog tkiva (Glasgow osteosarkom) i pankreasa (adenokarcinom). Pokazalo se da je kod mi?eva bez "cirkadijalnog centra" stopa razvoja tumora 7 puta ve?a nego kod njihovih normalnih kolega. Epidemiolo?ke studije tako?er ukazuju na vezu izme?u poreme?aja cirkadijalnog ritma i onkolo?kih bolesti kod ljudi. Oni ukazuju da je incidenca raka dojke kod ?ena koje rade duge no?ne smjene, prema razli?itim izvorima, i do 60% ve?a nego kod ?ena koje rade tokom dana.

WATCH GENES

Jedinstvenost suprahijazmatskog jezgra je i to ?to u njegovim ?elijama rade takozvani geni sata. Ovi geni su prvi put otkriveni u vo?noj mu?ici Drosophila u analogu mozga kralje?njaka - gangliju glave, protocerebrumu. Pokazalo se da su geni sata sisara u njihovoj nukleotidnoj sekvenci vrlo sli?ni genima Drosophile. Postoje dvije porodice gena sata - periodi?ni ( Per1, 2, 3) i kriptohrom ( Cree1 i 2). Proizvodi ovih gena, Per- i Cree-proteini, imaju zanimljivu osobinu. U citoplazmi neurona, oni me?usobno formiraju molekularne komplekse, koji prodiru u jezgro i potiskuju aktivaciju satnih gena i, naravno, proizvodnju njihovih odgovaraju?ih proteina. Kao rezultat, smanjuje se koncentracija Per- i Cri-proteina u citoplazmi stanice, ?to opet dovodi do "deblokade" i aktivacije gena koji po?inju proizvoditi nove porcije proteina. Ovo osigurava cikli?ki rad gena sata. Pretpostavlja se da geni sata, takore?i, postavljaju biohemijske procese koji se de?avaju u ?eliji da rade u cirkadijanskom re?imu, ali je jo? uvek nejasno kako dolazi do sinhronizacije.

Zanimljivo je da su kod ?ivotinja iz ?ijeg genoma istra?iva?i metodom genetskog in?enjeringa uklonili jedan od gena sata. Traka 2, spontano nastaju tumori krvi - limfomi.

SVJETLOSNI DAN I BIORITMI

Cirkadijalni ritmovi su "izmi?ljeni" po prirodi kako bi prilagodili tijelo izmjeni svijetlog i tamnog doba dana i stoga ne mogu a da se ne povezuju s percepcijom svjetlosti. Informacije o svjetlosnom danu ulaze u suprahijazmatsko jezgro iz membrane osjetljive na svjetlost (retine) oka. Svetlosna informacija sa fotoreceptora retine, ?tapi?a i ?unji?a prenosi se kroz zavr?etke ganglijskih ?elija do suprahijazmatskog jezgra. Ganglijske ?elije ne prenose samo informacije u obliku nervnog impulsa, one sintetiziraju enzim osjetljiv na svjetlost - melanopsin. Stoga, ?ak i u uslovima kada ?tapi?i i ?unjevi ne funkcioni?u (na primjer, kod uro?enog sljepo?e), ove stanice su u stanju da percipiraju svjetlost, ali ne i vizualne informacije i prenose ih do suprahijazmatskog jezgra.

Moglo bi se pomisliti da u potpunom mraku ne bi trebalo biti cirkadijalne aktivnosti u suprahijazmatskom jezgru. Ali to uop?e nije tako: ?ak i u nedostatku svjetlosnih informacija, dnevni ciklus ostaje stabilan - mijenja se samo njegovo trajanje. U slu?aju kada informacija o svjetlosti ne ulazi u suprahijazmatsko jezgro, cirkadijalni period kod ljudi se produ?ava u odnosu na astronomski dan. Da bi to dokazao, 1962. godine "otac hronobiologije", profesor Jirgen A?of, o kome je gore bilo re?i, smjestio je dvojicu volontera, svojih sinova, u potpuno mra?ni stan na nekoliko dana. Ispostavilo se da se ciklusi budnost-spavanje nakon stavljanja ljudi u mrak prote?u na pola sata. San u potpunom mraku postaje fragmentiran, povr?an i dominira faza sporog talasa. Osoba prestaje da osje?a san kao duboku zatvorenost, ?ini se da sanjari. Nakon 12 godina, Francuz Michel Siffre je ponovio ove eksperimente na sebi i do?ao do sli?nih rezultata. Zanimljivo je da je kod no?nih ?ivotinja ciklus u mraku, naprotiv, smanjen i iznosi 23,4 sata. Zna?enje takvih promjena u cirkadijalnim ritmovima jo? uvijek nije sasvim jasno.

Promena du?ine dnevnog vremena uti?e na aktivnost suprahijazmatskog jezgra. Ako su ?ivotinje koje su bile smje?tene nekoliko sedmica na stabilnom re?imu (12 sati svjetla i 12 sati tame) zatim stavljene na razli?ite cikluse svjetla (npr. 18 sati svjetlosti i 6 sati mraka), one su pokazale poreme?aj u u?estalosti aktivne budnosti. i spavaj. Sli?no se de?ava i ?oveku kada se svetlost promeni.

Ciklus "san - budnost" kod divljih ?ivotinja u potpunosti se poklapa sa periodima dnevne svjetlosti. U modernom ljudskom dru?tvu "24/7" (24 sata dnevno, 7 dana u nedelji), neuskla?enost biolo?kih ritmova sa stvarnim dnevnim ciklusom dovodi do "cirkadijalnog stresa", koji zauzvrat mo?e izazvati razvoj mnogih bolesti. , uklju?uju?i depresiju, nesanicu, patologiju kardiovaskularnog sistema i rak. Postoji ?ak i sezonska afektivna bolest - sezonska depresija povezana sa smanjenjem du?ine dnevnog svjetla zimi. Poznato je da je u sjevernim zemljama, na primjer, u Skandinaviji, gdje je razlika izme?u du?ine dnevnog svjetla i aktivnog perioda posebno uo?ljiva, u?estalost depresije i samoubistava vrlo visoka me?u stanovni?tvom.

Uz sezonsku depresiju u krvi pacijenta, raste nivo glavnog hormona nadbubre?nih ?lijezda - kortizola, koji uvelike deprimira imunolo?ki sistem. A smanjen imunitet neizbje?no dovodi do pove?ane osjetljivosti na zarazne bolesti. Dakle, mogu?e je da su kratki dnevni sati jedan od razloga porasta incidencije virusnih infekcija u zimskom periodu.

DNEVNI RITMOVI ORGANA I TKIVA

Do danas je utvr?eno da je suprahijazmatsko jezgro ono koje ?alje signale u mo?dane centre odgovorne za cikli?nu proizvodnju hormona koji reguliraju svakodnevnu aktivnost tijela. Jedan od ovih regulatornih centara je paraventrikularno jezgro hipotalamusa, odakle se signal za “pokretanje” sinteze hormona rasta ili ACTH prenosi do hipofize. Dakle, suprahijazmatsko jezgro se mo?e nazvati "provodnikom" cirkadijalne aktivnosti tijela. Ali druge ?elije slijede svoje cirkadijalne ritmove. Poznato je da geni sata rade u ?elijama srca, jetre, plu?a, pankreasa, bubrega, mi?i?a i vezivnog tkiva. Aktivnost ovih perifernih sistema podlije?e njihovim vlastitim dnevnim ritmovima, koji se uglavnom poklapaju sa cikli?nosti suprahijazmatskog jezgra, ali su pomjereni u vremenu. Pitanje kako "dirigent cirkadijanskog orkestra" kontroli?e funkcionisanje "orkestranata" ostaje klju?ni problem u modernoj hronobiologiji.

Organe koji funkcioni?u cikli?no je prili?no lako izmaknuti kontroli suprahijazmatskog jezgra. U periodu 2000-2004, niz senzacionalnih radova objavljen je od strane ?vicarskih i ameri?kih istra?iva?kih grupa na ?elu sa Julie Schibler i Michael Menakerom. U eksperimentima koje su sproveli nau?nici, no?ni glodari su hranjeni samo tokom dana. Ovo je jednako neprirodno za mi?eve kao i za osobu kojoj je dozvoljeno da jede samo no?u. Kao rezultat toga, cirkadijalna aktivnost satnih gena u unutarnjim organima ?ivotinja postupno je potpuno preure?ena i prestala se podudarati s cirkadijalnim ritmom suprahijazmatskog jezgra. Povratak na normalne sinhrone bioritmove dogodio se odmah nakon po?etka njihovog hranjenja u uobi?ajeno vrijeme bu?enja, odnosno no?u. Mehanizmi ovog fenomena su jo? uvijek nepoznati. Ali jedno je sigurno: lako je izvu?i cijelo tijelo iz kontrole suprahijazmati?nog jezgra - samo trebate radikalno promijeniti prehranu, po?inju?i ve?erati no?u. Dakle, stroga dijeta nije prazna fraza. Posebno ga je va?no pratiti u detinjstvu, jer biolo?ki sat "navija" ve? u najranijoj dobi.

Srce, kao i svi unutra?nji organi, tako?e ima svoju cirkadijalnu aktivnost. U ve?ta?kim uslovima ispoljava zna?ajne cirkadijalne fluktuacije, koje se izra?avaju u cikli?noj promeni kontraktilne funkcije i nivoa potro?nje kiseonika. Bioritmovi srca poklapaju se sa aktivno??u gena "sr?anog" sata. U hipertrofiranom srcu (u kojem je mi?i?na masa pove?ana zbog proliferacije ?elija), fluktuacije u sr?anoj aktivnosti i geni "sr?anog" sata nestaju. Stoga je mogu?e i suprotno: neuspjeh u svakodnevnoj aktivnosti sr?anih stanica mo?e uzrokovati njihovu hipertrofiju s kasnijim razvojem zatajenja srca. Dakle, kr?enje re?ima dana i prehrane vjerojatno ?e biti uzrok sr?ane patologije.

Ne samo da endokrini sistem i unutra?nji organi podle?u dnevnim ritmovima, vitalna aktivnost ?elija u perifernim tkivima prati i specifi?an cirkadijalni program. Ova oblast istra?ivanja se tek po?inje razvijati, ali su se ve? prikupili zanimljivi podaci. Dakle, u ?elijama unutra?njih organa glodara sinteza novih molekula DNK uglavnom se de?ava po?etkom cirkadijalne no?i, odnosno ujutro, a deoba ?elija aktivno po?inje po?etkom cirkadijalnog dana, tj. , uve?e. Intenzitet rasta ?elija ljudske usne sluznice cikli?ki se mijenja. Ono ?to je posebno va?no, prema dnevnim ritmovima, menja se i aktivnost proteina odgovornih za reprodukciju ?elija, na primer topoizomeraze II a, proteina koji ?esto slu?i kao „meta“ za delovanje hemoterapeutskih lekova. Ova ?injenica je od izuzetnog zna?aja za le?enje malignih tumora. Kao ?to pokazuju klini?ka zapa?anja, kemoterapija tokom cirkadijalnog perioda koji odgovara vrhuncu proizvodnje topoizomeraze je mnogo efikasnija od jednokratne ili kontinuirane primjene kemoterapijskih lijekova u proizvoljno vrijeme.

Niko od nau?nika ne sumnja da su cirkadijalni ritmovi jedan od fundamentalnih biolo?kih mehanizama, zahvaljuju?i kojima su se tokom miliona godina evolucije svi stanovnici Zemlje prilagodili dnevnom ciklusu svetlosti. Iako je ?ovjek vrlo prilago?eno stvorenje, ?to mu je omogu?ilo da postane najbrojnija vrsta me?u sisavcima, civilizacija neminovno uni?tava njegov biolo?ki ritam. I dok biljke i ?ivotinje slijede prirodni cirkadijalni ritam, ljudima je mnogo te?e. Cirkadijalni stres je sastavna karakteristika na?eg vremena, izuzetno mu je te?ko odoljeti. Me?utim, u na?oj je mo?i da vodimo ra?una o „biolo?kom satu“ zdravlja, striktno po?tuju?i re?im spavanja, budnosti i ishrane.

Ilustracija "?ivot biljaka prema biolo?kom satu." Ne samo ?ivotinje, ve? i biljke ?ive po "biolo?kom satu". Dnevno cvije?e zatvara i otvara latice ovisno o svjetlosti - to svi znaju. Me?utim, ne znaju svi da je stvaranje nektara tako?er podlo?no svakodnevnim ritmovima. ?tavi?e, p?ele opra?uju cvije?e samo u odre?enim satima - u trenucima proizvodnje najve?e koli?ine nektara. Ovo zapa?anje su u osvit hronobiologije - po?etkom 20. vijeka - izveli njema?ki nau?nici Karl von Frisch i Ingeborg Behling.

Ilustracija "?ema "idealnih" cirkadijanskih ritmova za sintezu "hormona budnosti" - kortizola i "hormona spavanja" - melatonina." Za ve?inu ljudi nivo kortizola u krvi po?inje da raste u pono? i dosti?e vrhunac u 6-8 ujutro. Do tog vremena, proizvodnja melatonina je prakti?no prestala. Nakon otprilike 12 sati koncentracija kortizola po?inje opadati, a nakon jo? 2 sata po?inje sinteza melatonina. Ali ovi vremenski okviri su vrlo proizvoljni. Kod "?ava", na primjer, kortizol dosti?e svoj maksimum ranije - do 4-5 sati ujutro, kod "sova" kasnije - do 9-11 sati. U zavisnosti od hronotipa, vrhovi osloba?anja melatonina se tako?er pomi?u.

Ilustracija "Grafikon broja fatalnih sr?anih udara." Na grafikonu je prikazana zavisnost broja fatalnih infarkta kod pacijenata primljenih na kliniku Medicinskog fakulteta Univerziteta Kentaki (SAD) 1983. godine, od doba dana. Kao ?to se vidi iz grafikona, najve?i broj sr?anih udara pada na period od 6 do 9 sati ujutro. To je zbog cirkadijalne aktivacije kardiovaskularnog sistema prije bu?enja.

Ilustracija "Suprahijazmatsko jezgro." Ako se suprahijazmatsko jezgro stavi u "udobne" fiziolo?ke uslove (lijeva slika) i elektri?na aktivnost njegovih neurona se bilje?i tokom dana, onda ?e to izgledati kao periodi?na pove?anja amplitude pra?njenja (akcionog potencijala) s maksimumima svaka 24 sata (desno dijagram).

Ilustracija "No?ne ?ivotinje - hr?ci u periodu budnosti su u stalnom pokretu." U laboratorijskim uvjetima, za snimanje motori?ke aktivnosti glodara, kabel je spojen na to?ak u kojem ?ivotinja tr?i na mjestu. Na osnovu dobijenih podataka grade se grafovi koji se nazivaju aktogrami.

Ilustracija "Glavni "dirigent" biolo?kih ritmova - suprahijazmatsko jezgro (SCN) nalazi se u hipotalamusu, evolucijski drevnom dijelu mozga." Hipotalamus je uokviren na gornjoj slici snimljenoj iz uzdu?nog presjeka ljudskog mozga. Suprahijazmati?no jezgro le?i iznad opti?ke hijazme, preko koje prima svjetlosne informacije iz mre?nice. Donja desna figura je dio hipotalamusa mi?a, obojen plavo. Na donjoj lijevoj slici, ista slika je shematski prikazana. Uparene sferne formacije su skup neurona koji formiraju suprahijazmatsko jezgro.

Ilustracija "?ema sinteze "hormona no?i" - melatonina." Melatonin uzrokuje san, a njegove fluktuacije no?u dovode do promjene faza spavanja. Lu?enje melatonina se pokorava cirkadijalnom ritmu i zavisi od osvetljenja: tama ga stimuli?e, dok ga svetlost, naprotiv, potiskuje. Informacije o svjetlu kod sisara ulaze u epifizu na slo?en na?in: od retine do suprahijazmatskog jezgra (retino-hipotalamusni trakt), zatim od suprahijazmatskog jezgra do gornjeg cervikalnog ganglija i od gornjeg cervikalnog ganglija do epifize. Kod riba, vodozemaca, gmizavaca i ptica, svjetlost mo?e direktno kontrolirati proizvodnju melatonina kroz pinealnu ?lijezdu, jer svjetlost lako prolazi kroz osjetljivu lobanju ovih ?ivotinja. Otuda i drugi naziv za epifizu - "tre?e oko". Jo? nije jasno kako melatonin kontroli?e uspavljivanje i promjenu faza spavanja.

Ilustracija "Suprahijazmatsko jezgro je kontrolor cirkadijalnog ritma razli?itih organa i tkiva." Svoje funkcije obavlja regulacijom proizvodnje hormona od strane hipofize i nadbubre?ne ?lijezde, kao i direktnim prijenosom signala kroz procese neurona. Cirkadijalna aktivnost perifernih organa mo?e se izvu?i iz kontrole suprahijazmatskog jezgra kr?enjem dijete – jedenjem no?u.

Cirkadijalni ritam (lat. circa oko + lat. dies day) je naziv za ciklus biolo?kih procesa ?ivih organizama koji je blizu 24 sata, regulisan „unutra?njim satom“. Cirkadijalni ritmovi su va?ni za regulaciju sna, pona?anja, aktivnosti i ishrane kod svih ?ivotinja, uklju?uju?i i ljude. Poznato je da je za ovaj ciklus vezan rad retikularne formacije mozga, promjena razine mo?dane aktivnosti op?enito, proizvodnja hormona, regeneracija stanica i drugi biolo?ki procesi. Cirkadijalni ritmovi se nalaze ne samo kod ?ivotinja (kralje?njaka i beski?menjaka), ve? i kod gljiva, biljaka, protozoa, pa ?ak i kod bakterija.

Postojanje ovakvog „unutra?njeg sata“ pretpostavljalo se i prije molekularnih istra?ivanja u ovoj oblasti. Ritmi?ke promjene, sa periodom bliskim dnevnom, o?uvane su u organizmima potpuno izolovanim od vanjskih izvora svjetlosti koji bilje?e doba dana. Na primjer, dnevna rotacija listova se opa?a kod biljaka smje?tenih u potpunom mraku. Poznato je da biljke i ?ivotinje ne reaguju odmah na iznenadne vje?ta?ke ili prirodne promjene u uvjetima osvjetljenja, ali postoji mehanizam adaptacije i prije ili kasnije se unutra?nji sat tijela prilago?ava novom ritmu. Primjer takvog fenomena je prilago?avanje osobe promjenama doba dana kada leti izme?u vremenskih zona.

Glavne tri karakteristike cirkadijanskih ritmova su:

1. Ritam se odr?ava u stalnim uslovima i ima period blizu 24 sata.
2. Ritam se mo?e sinhronizovati pod uticajem spolja?njeg osvetljenja.
3. Ritam ne zavisi od temperature, sve dok se menja u opsegu pogodnom za ?ivot.

Endogene cirkadijalne ritmove prvi je otkrio nau?nik Jean-Jeanque D'Ortoux de Marin u 18. vijeku, kada je opisao da se listovi biljaka nastavljaju cikli?no kretati ?ak i u potpunom mraku, a period ovog ciklusa je blizu 24 sata. Postoji hipoteza da su ovi ritmovi nastali ?ak i kod najranijih jedno?elijskih organizama i da je glavni zadatak ovih ritmova bio da za?tite ?eliju koja se dijele, odnosno njenu DNK, od ?tetnog djelovanja ultraljubi?astog zra?enja: replikacija se odvijala tokom "no?ni" period ciklusa. Do danas je takva regulacija uo?ena u gljivi Neurospora crassa. Gljive mutantne u genima cirkadijalnog ritma nemaju regulaciju ?ivotnog ciklusa ovisno o svjetlosti

Najjednostavniji mehanizam cirkadijalnog ritma uo?en je kod nekih cijanobakterija: uzimanjem samo tri proteina KaiA, KaiB i KaiC, koji su odgovorni za dnevni ritam, i dodavanjem ATP-a (molekula u kojima organizmi pohranjuju energiju), mo?e se uo?iti cirkadijalni ritam. in vitro, mjerenjem nivoa fosforilacije proteina KaiC 2, 3 (fosfat ?e se vezati i odvojiti, a koncentracija KaiC-a sa vezanim fosfatom ?e periodi?no fluktuirati). Ovaj ritam ima u?estalost od oko 22 sata i odr?ava se nekoliko dana. U nastavku ?emo detaljnije opisati rad ovog generatora.

Cirkadijalni ritam je direktno povezan sa promjenom dana i no?i. ?ivotinje koje su du?e vrijeme u potpunom mraku ili u uvjetima ravnomjernog osvjetljenja po?inju ?ivjeti u svom endogenom (unutra?njem) ritmu koji odstupa od dnevnog ritma na zemlji. To je zbog ?injenice da je period endogenog cirkadijalnog ritma u pravilu ne?to kra?i ili du?i od 24 sata, zbog ?ega se svaki novi "dan" za organizam smje?ten u tami pomi?e naprijed ili nazad u odnosu na stvarna promena doba dana. Normalno, svjetlo je pejsmejker za dnevni ciklus tijela, rekonfiguriraju?i unutra?nji sat tijela. Zanimljivo je da su neki slijepi sisari u stanju odr?avati endogene cirkadijalne ritmove u odsustvu najva?nijeg pejsmejkera, svjetlosti. Do danas se razvijaju i koriste simulatori promjene dana na svemirskim letjelicama, koji povoljno uti?u na stanje astronauta.

Na nivou organizma kod sisara, "cirkadijalni pejsmejker" se nalazi u suprahijazmatskom jezgru hipotalamusa. Uni?tavanje suprahijazmatskog jezgra dovodi do potpunog poreme?aja ciklusa spavanje/budnost. Suprahijazmatsko jezgro prima svjetlosne signale iz stanica retine. U ljudskoj retini, pored dva tipa receptorskih ?elija (?tapi?a i ?unji?a), neke ganglijske ?elije koje sadr?e pigment melanopsin imaju fotosenzitivnu funkciju. Signali iz ovih ?elija ?alju se u suprahijazmatsko jezgro preko opti?kog ?ivca. O?igledno, tamo se signal obra?uje i dalje prenosi do epifize, endokrine ?lijezde koja se nalazi na dorzalnom (spinalnom) dijelu diencefalona. Epifiza lu?i hormon melatonin, koji je odgovoran za san i budnost. Velike doze melatonina zna?ajno produ?avaju fazu paradoksalnog sna - onaj dio sna tokom kojeg se o?i aktivno kre?u, skeletni mi?i?i opu?taju ?to je vi?e mogu?e i snovi se sanjaju.

Sinteza melatonina povezana je sa osvjetljenjem: ?to je osvjetljenje ja?e, to se manje melatonina stvara. Stoga se vrhunac sadr?aja melatonina u krvi opa?a no?u, a najmanje tokom dana. Dugotrajno prekomjerno osvjetljenje dovodi do vrlo niskog nivoa melatonina, ?to je nepovoljno za stanje organizma. Pored humoralne (endokrine) funkcije, melatonin ima funkciju sna?nog terminalnog antioksidansa koji ?titi DNK od o?te?enja. Terminalni antioksidansi - antioksidansi koji se ne mogu vratiti iz oksidiranog (aktivni kisik radikali) oblika. Zanimljivo je da je melatonin hormon razli?itih taksonomskih grupa od algi do sisara, odnosno veoma je drevni i va?an hormon.

Cirkadijalni ritmovi kod ?ivotinja nalaze se ne samo u suprahijazmatskom jezgru, ve? u svim stanicama. ?elije izolirane iz tijela pokoravaju se unutra?njim slobodnim endogenim ritmovima s frekvencijom blizu 24 sata. Zanimljivo je da se ?elije jetre u ve?oj meri prilago?avaju pod uticajem hrane, kao egzogenog faktora, nego pod uticajem osvetljenja. Osim toga, cirkadijalni ritmovi su o?uvani ?ak iu "besmrtnim" kulturama ?elija koje se koriste u laboratorijama. Pokazalo se da oni zadr?avaju sposobnost da sinhronizuju svoj cirkadijalni ritam pod uticajem svetlosti, u skladu sa promenama osvetljenja u okru?enju.

Poreme?aj cirkadijanskih ritmova u kratkom vremenskom periodu dovodi do poreme?aja cirkadijalne aktivnosti, umora, nesanice i dezorijentacije. Bolesti poput mani?no-depresivne psihoze, kao i mnogi poreme?aji spavanja, povezani su s patolo?kim disfunkcijama cirkadijalnih ritmova. Dugotrajni poreme?aji cirkadijalnih ritmova mogu dovesti do propadanja unutra?njih tkiva i organa, kao ?to su kardiovaskularne bolesti.

Na kraju, treba napomenuti da se molekularna regulacija cirkadijanskih ritmova razlikuje u razli?itim taksonomskim grupama. Mogu?e je da su mehanizam fotosenzitivne adaptacije i mehanizam odr?avanja endogenog cirkadijalnog ritma evoluirali nezavisno u razli?itim grupama organizama. Svi poznati cirkadijalni ritmovi ujedinjeni su prisustvom tri komponente u njima: samog sata, koji obezbe?uje cirkadijalne oscilacije (oscilacije), „ulaznih“ proteina dizajniranih da prilagode unutra?nji sat dnevnim promenama osvetljenja i „izlaznih“ proteina koji reguli?u odre?eni procesi koji se odvijaju u ?eliji, koji se prilago?avaju u skladu sa endogenim cirkadijalnim ritmom.

Cirkadijalni ritmovi cijanobakterija.

Najjednostavniji cirkadijalni ritmovi nalaze se kod cijanobakterija. Cijanobakterije (plavo-zelene alge) su monofiletska grupa (imaju jednog zajedni?kog pretka) fotoautotrofnih (hrane se fotosintezom, sun?evom energijom) bakterija. Ovo je jedna od najstarijih i najraznovrsnijih grupa prokariota na svijetu. Razni ?lanovi grupe se me?usobno jako razlikuju i morfolo?ki i genetski, mogu se na?i u gotovo svakom stani?tu dostupnom svjetlosti. ?ivotni ciklusi tako?e imaju razli?ito trajanje za razli?ite predstavnike: od nekoliko sati do nekoliko hiljada godina izme?u podela (kod nekih vrsta koje ?ive u oligotrofnom, siroma?nom okru?enju).

Prisustvo cirkadijalnih ritmova kod cijanobakterija prvi put je dokazano prou?avanjem procesa fiksacije du?ika osjetljive na kisik i fotosinteze s osloba?anjem kisika. U ovim procesima se pokazao dnevni ritam. O tome su posebno svjedo?ili podaci elektronske mikroskopije, koja je kori?tena za prou?avanje broja i veli?ine odre?enih skladi?nih granula u stanicama. Kasnije je otkriveno da se drugi procesi u ?elijama (na primjer, apsorpcija aminokiselina) odvijaju u okviru cirkadijalnog ritma, zadovoljavaju?i tri glavne pozicije cirkadijalnih ritmova opisanih gore.

Osim toga, pokazalo se da se ekspresija svih gena u stanicama cijanobakterija mijenja ritmi?no. Provedeni su eksperimenti u kojima su geni za bioluminiscentne (svjetle?e) proteine uba?eni u genom cijanobakterija pod nasumi?no odabranim bakterijskim promotorima. Svi dobijeni sojevi su pokazali sli?an obrazac cirkadijalnih promjena u intenzitetu luminiscencije (slika 1 iznad).

Slika 1 Cirkadijalni ritmovi cijanobakterija.

Zna?aj sinhronizacije unutra?njeg ritma sa faktorom egzogene svetlosti za cijanobakterije je pokazano u nizu eksperimenata. Na primjer, pokazalo se da bakterije s poreme?enim cirkadijalnim ritmovima rastu sporije u uvjetima dana i no?i, gube?i na taj na?in od bakterija s dobro uspostavljenim i pode?enim unutra?njim satovima. Osim toga, kao ?to je ve? spomenuto, cijanobakterije se razmno?avaju samo tijekom "no?nog" perioda, odre?enog njihovim unutra?njim satom, koji, posebno, ?titi repliciraju?u DNK od o?te?enja kisikovim radikalima proizvedenim ultraljubi?astim zracima sunca.

Mutagenetski skrining fotosintetske bakterije Synechococcus elongatus rezultirao je otkri?em vi?e od 100 mutanata s poreme?enim ritmom. Na primjer, kod nekih je endogeni period unutra?njeg sata (u nedostatku vanjskog stimulusa - svjetlosti) bio 44 sata, umjesto 25, kao kod divljih bakterija. Mnogi od mutanata obnovili su funkcije cirkadijalnog sata nakon uvo?enja DNK iz kai lokusa u njih. Pokazalo se da ovaj lokus kodira 3 gena: kaiA, kaiB, kaiC, a kaiA ima svoj promotor, dok kaiB i kaiC imaju zajedni?ki promotor, formiraju?i dicistronsku RNK. Filogenetski, kaiC se smatra najstarijim genom za cirkadijalne ritmove kod cijanobakterija. Svaki od ova tri gena bio je neophodan da bi cirkadijalni ritmovi cijanobakterija pravilno funkcionirali. Razli?iti kaiC mutantni aleli dovode do skra?ivanja ili produ?avanja perioda endogenog ritma ili do potpunog poreme?aja ritma kod nekih mutanata, dok mutacije koje dovode do poreme?aja kaiA i kaiB gena u potpunosti potiskuju fenotipsku manifestaciju cirkadijanskih ritmova.

Nijedan od proteina koji su kodirani sa tri pomenuta gena cirkadijanskog ritma nije imao mjesta vezivanja za DNK, ?to ukazuje da nisu transkripcijski faktori i stoga ne uti?u direktno na transkripciju. Ovi proteini nemaju poznate homologe me?u prou?avanim eukariotskim proteinima. Nivo transkripcije sva tri gena je ritmi?an, a sadr?aj mRNA svakog od njih dosti?e maksimum do kraja dana. Zanimljivo je da prekomjerna ekspresija kaiC dovodi do smanjenja ekspresije iz promotora kaiBC, tj. postoji negativna povratna sprega izme?u genskog proizvoda i njegove ekspresije mRNA. Prekomjerna ekspresija kaiA dovodi do pove?anja ekspresije kaiBC, a u odsustvu kaiA, ekspresija kaiBC je zna?ajno smanjena. Dakle, za razliku od kaiC-a, kaiA je pozitivan element ovog samoregulativnog procesa. U ranim ve?ernjim satima sadr?aj kaiB i kaiC proteina dosti?e maksimum, dok sadr?aj kaiA proteina nema oscilacije cirkadijalnog ritma.

U po?etku se pretpostavljalo da su svi cirkadijalni ritmovi povezani sa transkripciono-translacionom oscilatornom (TTO) aktivno??u ?elije. Postoje dokazi da tako funkcionira unutra?nji sat svih ?ivotinja, iako to nije rigorozno dokazano. U slu?aju cijanobakterija, nedavno se pokazalo suprotno. KaiC protein ima i autofosforilacijske i autodefosforilacijske funkcije. KaiA protein poti?e autofosforilaciju kaiC, dok kaiB uti?e na efekat koji proizvodi kaiA. Dakle, fosforilacija i defosforilacija kaiC ne zahtijeva dodatne kinaze ili fosfataze. Provedeni su eksperimenti u kojima su proteini cirkadijalnog ritma uzimani u biolo?kim proporcijama 1:1:4 (kaiA, kaiB, kaiC, respektivno) u prisustvu 1mM ATP. Ispostavilo se da u takvim uslovima procenat defosforiliranog/fosforiliranog kaiC varira sa periodom blizu 24 sata za najmanje tri ciklusa. Sadr?aj fosforiliranog kaiC varirao je od 0,25 do 0,65 ukupnog kaiC. Osim toga, ukupna koncentracija kaiC-a je ostala konstantna, ?to ukazuje na odsustvo procesa razgradnje za obje modifikacije kaiC-a. Dakle, oscilacija kaiC fosforilacije mo?e biti obezbe?ena isklju?ivo aktivno??u tri navedena cirkadijalna proteina, .

Ovaj sistem od tri proteina zadovoljava i drugi kriterijum koji imaju sistemi cirkadijalnog ritma. Sa porastom temperature sa 25 stepeni Celzijusa na 30 i 35, period fosforilacije ?e se promeniti sa 22 na 21, odnosno 20 sati. Koeficijent termi?ke zavisnosti (Q10) je 1,1, ?to je blisko onome u ?ivom sistemu.

Organizmi sa nekim oblicima mutantnog kaiC-a imali su izmenjene unutra?nje periode sata, na primer, postojali su mutanti sa periodima cirkadijanskog ritma od 17, 21 i 28 sati. Pokazalo se da se isti periodi odr?avaju u in vitro sistemima koji koriste mutantni kaiC umjesto uobi?ajenog divljeg kaiC. Dakle, pokazalo se da su tri klju?na proteina cirkadijanskih ritmova u cijanobakterijama kaiA, kaiB i kaiC. Uprkos velikom broju radova posve?enih cirkadijalnim ritmovima cijanobakterija, mehanizam sinhronizacije sa promenljivim osvetljenjem i mehanizam regulacije transkripcije nisu potpuno jasni. Osnovna stvar je va?na: unutra?nji sat cijanobakterija mo?e raditi bez TTO (kao ?to je prikazano in vitro). Na neki na?in, ovaj sat je biolo?ki analog ?uvene hemijske cikli?ne reakcije Belousov-?abotinski, koja se odvija veoma sporo.

?ta je tako posebno kod ?ivotinja?

Ve?ina ljudi cirkuli?e izme?u sna i budnosti u pravilnim intervalima. Za ve?inu odraslih osoba izme?u 20 i 50 godina, spavanje se javlja 4-5 sati nakon zalaska sunca, a samo-bu?enje se doga?a 1-2 sata nakon izlaska sunca. Za datu individuu pod stalnim uslovima, mogu?e je predvidjeti, do minute, vrijeme bu?enja kroz brojne cikluse. Me?utim, postoje izuzeci u ritmu spavanja/budnosti kod nekih ljudi i, ?to je najzanimljivije, ove karakteristike se mogu naslijediti i prenijeti na potomke. Na primjer, u nekim porodicama postoji takozvani sindrom prijevremenog porodi?nog spavanja (porodi?ni sindrom napredne faze spavanja ili FASPS). Ljudi sa ovim sindromom obi?no idu na spavanje sat vremena nakon zalaska sunca, a potpuno su budni ve? u 4 sata. Ispostavilo se da je ovo odstupanje uzrokovano mutacijom jednog gena na 2. hromozomu. Ovaj gen se zove Period 2 (PER2), a prou?avana mutacija se javlja na mjestu fosforilacije kazein kinaze 1e. U prisustvu ove mutacije, fosforilacija je nemogu?a. Tako se po prvi put pokazalo da su poreme?aji sna kod ljudi povezani s genetskim promjenama. Kasnije se pokazala uloga PER2 u regulaciji ljudskog ritmi?kog pona?anja op?enito, a osim toga, pokazalo se da je PER2 homologan dobro prou?enim ?ivotinjskim genima odgovornim za cirkadijalne ritmove, ?iji je mehanizam ve? zna?ajno prou?avan. .

Kod sisara, kao i kod Drosophile, prikazane su cirkadijalne oscilacije gena sata u nervnim ?elijama. Cirkadijalni ritmovi se uo?avaju ?ak i u „besmrtnim“ ?elijskim linijama fibroblasta, a ?ini se da se adaptacija na svjetlost u njima odvija po istim mehanizmima kao u sli?nim ?elijama unutar ?ivog organizma. Ovi unutra?nji ?elijski ritmovi su gotovo nezavisni od aktivnosti mozga (suprahijazmatsko jezgro). U stvari, poznato je da je faza cirkadijalnih ritmova ?elija jetre (hepatocita) obi?no pomerena u odnosu na fazu cirkadijalnih ritmova ?elija suprahijazmatskog jezgra. Kada svjetlost udari u ganglijske stanice retine, stanice suprahijazmatskog jezgra se prilago?avaju i ovaj signal se nekako prenosi na druge stanice, ali na cirkadijalni ritam hepatocita mnogo vi?e utje?u signali povezani s konzumacijom hrane. Vi?e od 50 faktora je podlo?no cirkadijalnoj oscilaciji u ?elijama jetre, od kojih su ve?ina faktori odgovorni za razgradnju i detoksikaciju razli?itih supstanci.

Iako regulacija cirkadijalnih ritmova u ?elijama jetre, plu?a, mi?i?a, bubrega i nekih drugih ?elija sisara ne mo?e biti direktno povezana sa njihovom sopstvenom fotorecepcijom (ritam je o?igledno regulisan o?nom fotorecepcijom), kod nekih prozirnih riba, bubrega i ?elije srca mogu direktno odgovoriti na promjenu osvjetljenja.

Rad cirkadijalnih ritmova biljaka, gljiva, insekata i ki?menjaka zasniva se na ve? spomenutom Transkripciono-translacionom oscilatornom modelu (TTO). Po?to je ovaj model veoma slo?en, za popularno-nau?ni blog ?u samo formulisati fundamentalne razlike izme?u TTO i cirkadijalnih ritmova cijanobakterija, uprkos ?injenici da sam ve? napisao ceo tekst o TTO predstavnika svih eukariotskih kraljevstava . Dakle, glavne razlike su:

• U TTO, ekspresija gena se mijenja ritmi?no.
• U TTO, cirkadijalni ritmovi su regulisani faktorima transkripcije, proteinima koji menjaju ekspresiju gena.
• Mnogi geni su uklju?eni u TTO.
• TTO zahtijeva geni za funkcioniranje, dok cijanobakterijski proteini cirkadijalnog ritma rade in vitro bez DNK.

?ema TTO sisara prikazana je na Sl. 2
Rice. 2 TTO shema sisara.

1. Tan, Y., Merrow, M. & Roenneberg, T. Photoperiodism in Neurospora crassa. J Biol Rhythms 19, 135-43 (2004).
2. Williams, S. B. Cirkadijalni mehanizam vremena u cijanobakterijama. Adv Microb Physiol 52, 229-96 (2007).
3. Rachelle M. Smith i Stanly B. Williams Cirkadijski ritmovi u transkripciji gena preneseni zbijanjem hromozoma u cijanobakteriji Synechococcus elongatus. PNAS 103, 8564-8568 (2006).
4. Nakajima, M. et al. Rekonstitucija cirkadijalne oscilacije cijanobakterijske KaiC fosforilacije in vitro. Science 308, 414-5 (2005).
5. Young, M. W. & Kay, S. A. Vremenske zone: komparativna genetika cirkadijanskih satova. Nat Rev Genet 2, 702-15 (2001).

Dakle, za one ljude koji se bave naukom ili govore i pi?u o tome, do?la je najva?nija sedmica u godini. Tradicionalno, prve sedmice oktobra Nobelov komitet progla?ava dobitnike Nobelove nagrade. I tradicionalno, mi smo prvi koji prepoznajemo dobitnike nagrade iz fiziologije ili medicine (da, iz nekog razloga na ruskom se ovaj sindikat pretvorio u "i", ali je ta?no - ili jedno ili drugo).

U 2017. godini Karolinska institut, koji dodjeljuje ove nagrade, iznenadio je sve. Nije tajna da mnogi stru?njaci i agencije iznose proro?anstva i predvi?anja laureata. Ove godine, po prvi put, predvi?anja je dala agencija Clarivate Analytics, koja se odvojila od agencije Thomson Reyters. Na polju medicine, pobjedu su predvidjeli Lewisu Cantleyju za otkri?e proteina koji je odgovoran za razvoj raka i dijabetesa, Karlu Fristonu za tehnike neuroimaginga, te Yuan Chanu i Patricku Mooreu za otkri?e virusa herpesa koji uzrokuje Kaposijev sarkom.

Me?utim, neo?ekivano za sve, trojica Amerikanaca (?to nije nimalo neo?ekivano) dobila su nagradu za otkri?e molekularnih mehanizama cirkadijanskih ritmova – unutra?njeg molekularnog sata ljudi, ?ivotinja i biljaka. Da, ?itajte, skoro sva ?iva bi?a. Ba? ono ?to se zove bioritmovi.

?ta su otkrili Michael Young sa Univerziteta Rockefeller u New Yorku, Michael Rosbash sa Univerziteta Brandeis i Geoffrey Hall sa Univerziteta Maine?

Za po?etak, recimo da NISU otkrili cirkadijalne ritmove (od latinskog circa - oko i diem - dan). Prvi nagove?taji toga pojavili su se u antici (i nije iznena?uju?e, svi smo budni danju, a spavamo no?u). Gen odgovoran za rad unutra?njeg sata tako?e ne otkrivaju na?i junaci. Seymour Benzer i Ronald Konopka izveli su ovu seriju eksperimenata na vo?nim mu?icama. Bili su u stanju prona?i mu?ice mutante kod kojih trajanje cirkadijanskog ritma nije bilo 24 sata, kao u prirodi (ili kao ljudi), ve? 19 ili 29 sati, ili nisu uop?e uo?eni cirkadijalni ritmovi. Oni su otkrili gen za period, koji "vlada" ritmovima. Ali, na?alost, Benzer je umro 2007., Konopka - 2015., ne ?ekaju?i Nobelovu nagradu. To je ?esto slu?aj u nauci.

Dakle, sam period ili PER gen kodira PER protein, koji dirigira orkestrom cirkadijanskih ritmova. Ali kako to radi i kako se posti?e cikli?nost svih procesa? Hall i Rosbash su predlo?ili hipotezu prema kojoj PER protein ulazi u jezgro ?elije i blokira rad sopstvenog gena (kao ?to se sje?amo, geni su samo instrukcije za sklapanje proteina. Jedan gen – jedan protein). Ali kako se to de?ava? Jeffrey Hall i Michael Rosbash su pokazali da se PER protein akumulira u ?elijskom jezgru preko no?i i da se konzumira tokom dana, ali nisu razumjeli kako je uspio tamo do?i. A onda je tre?i laureat, Michael Young, prisko?io u pomo?. Godine 1994. otkrio je jo? jedan gen, bezvremenski ("bez vremena"), koji tako?er kodira protein - TIM. Yang je bio taj koji je pokazao da PER mo?e u?i u ?elijsko jezgro samo kombinovanjem sa TIM proteinom.

Dakle, da sumiramo prvo otkri?e: Kada je gen za period aktivan, u jezgri se proizvodi takozvana glasni?ka RNK proteina PER, prema kojoj ?e se, kao u modelu, protein proizvoditi u ribosomu. Ova glasni?ka RNK izlazi iz jezgra u citoplazmu, postaju?i ?ablon za proizvodnju PER proteina. Zatim se petlja zatvara: PER protein se akumulira u ?elijskom jezgru kada je aktivnost gena za period blokirana. Zatim je Young otkrio jo? jedan gen, doubletime - "double time", koji kodira DBT protein, koji mo?e "podesiti" akumulaciju PER proteina, pomjeraju?i ga u vremenu. Zahvaljuju?i tome mo?emo se prilagoditi promjenama u vremenskoj zoni i du?ini dana i no?i. Ali – ako vrlo brzo promijenimo dan u no?, vjeverica ne prati mlaz, i de?ava se d?et lag.

Treba napomenuti da je nagrada za 2017. prva nagrada u 117 godina, koja se nekako odnosi na ciklus spavanja i budnosti. Pored otkri?a Benzera i Konopke, drugi istra?iva?i cirkadijanskih ritmova i procesa spavanja nisu ?ekali svoje nagrade, kao ?to je jedan od osniva?a kronobiologije Patricia DeCorcy, otkriva? "brze" faze sna Eugene Azerinsky, jedan od osniva?a kronobiologije Patricia DeCorcy. o?eva somnologije Nathaniel Kleitman... Tako mo?emo nazvati sada?nju Odluka Nobelovog komiteta zna?ajna je za sve koji rade u ovoj oblasti.