Mehanizmi notranje biološke ure

Piše Brin Najžer

Naše življenje je prilagojeno dejstvu, da živimo na vrteči se Zemlji. Ena od prilagoditev je tudi naša notranja biološka ura, znanstveno poimenovan cirkadiani ritem, ki nam pomaga predvideti in se prilagoditi na dnevni ritem. Toda kako naša biološka ura ve, koliko je ura? Na to vprašanje so odgovorili Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash in Michael W. Young, ki so za odkritje mehanizmov, ki nadzirajo cirkadiani ritem, prejeli Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino leta 2017. Njihovo odkritje je razkrilo, kako rastline, živali in ljudje prilagajajo svoj biološki ritem tako, da je sinhroniziran z vrtenjem Zemlje.  

Cirkadiani ritem

Večina živih organizmov predvideva in se prilagaja na dnevne spremembe v svojem okolju. Nekatere rastline obračajo liste ali cvetove proti soncu in mnoge izmed njih to počnejo, tudi če jih postavimo v popolno temo. Pri ljudeh je biološka ura še posebej natančna in nadzoruje pomembne telesne funkcije, kot so obnašanje, raven hormonov, spanec, telesno temperaturo in presnovo. Kako zelo pomembna je biološka ura za naše dobro počutje, veliko ljudi občuti na lastni koži po dolgem poletu skozi več časovnih pasov. Raziskovalci že od 18. stoletja raziskujejo biološko uro, ki nam pomaga pripraviti našo fiziologijo na dnevne spremembe. To ritmično prilagajanje so poimenovali cirkadiani ritem, kot zloženko iz dveh latinskih besed, circa (okoli) in dies (dan). Že v 70-ih letih sta Seymour Benzer in Ronald Kopka odkrila gen, poimenovala sta ga ritemski gen (an. period), ki je zmotil cirkadiani ritem pri vinskih mušicah, vendar nista uspela odkriti, kako je ta gen vplival na sam ritem.

Pri ljudeh je biološka ura še posebej natančna in nadzoruje pomembne telesne funkcije, kot so obnašanje, raven hormonov, spanec, telesno temperaturo in presnovo.

Nobelovi nagrajenci so poskusili odgovoriti na prav to vprašanje. Tudi oni so za svoje raziskave uporabili vinske mušice in poskusili ugotoviti, kako cirkadiani ritem zares deluje. Leta 1984 so uspeli ritemski gen izolirati. Jeffrey Hall in Michael Rosbash sta nadalje tudi odkrila, da se protein PER, ki ga odkriti gen kodira, nabira ponoči, podnevi pa razpada. Ravni proteina PER tako nihajo v 24-urnem ciklu, sinhrono s cirkadianim ritmom. Toda to je bila šele polovica zgodbe, saj je bilo potrebno ugotoviti, kako se takšna nihanja ustvarjajo in vzdržujejo. Hall in Orsbash sta postavila hipotezo, da protein PER blokira dejavnost ritemskega gena, in je sposoben skozi zaviralno povratno zanko preprečiti nastajanje dodatnega proteina PER. Za takšno delovanje bi protein moral prodreti v celično jedro, kjer se nahaja genski material, a znano je bilo, da se protein PER tvori v citoplazmi in ne v jedru. Z dodatnimi raziskavami sta sicer uspela potrditi, da se protein ponoči nabira v jedru, vendar nista mogla pojasniti, kako je tja prišel.

Odgovor je našel leta 1994 Michael Young, ki je odkril drugi gen, poimenovan brezčasen (an.  timeless), ki kodira protein TIM. V raziskavah je pokazal da, kadar se protein TIM veže s proteinom PER, oba proteina lahko vstopita v celično jedro, kjer blokirata delovanje ritemskega gena in s tem ustavita zaviralno povratno zanko. Takšen povratni mehanizem je pojasnil, kako je prišlo do nihanj v količini proteinov v celicah, ni pa povsem pojasnilo frekvence nihanj. Young je nato odkril še en gen, poimenovan dvojni čas (an.  doubletime), ki kodiral protein DBT, ki je s svojim delovanjem upočasnil nabiranje proteina PER. S tem je pokazal, kako se različne ravni proteinov natančno usklajujejo z 24-urnim ciklom. S temi odkritji so nagrajenci pojasnili ključne mehanizme za delovanje biološke ure. Kasneje so raziskave pokazale tudi druge molekularne komponente urnega mehanizma in bolj podrobno razložile njihovo delovanje.

Pomen biološke ure

Biološka ura je ključna za delovanje naše zelo kompleksne fiziologije. Znanstveniki sedaj vedo, da vsa večcelična bitja uporabljajo podoben mehanizem za nadzor notranje biološke ure. Biološka ura regulira tudi delovanje mnogih drugih genov in tako omogoča, da se naša fiziologija prilagodi različnim delom dneva in funkcijam, ki jih naše telo takrat opravlja. Po odkritjih nagrajencev se je raziskovanje cirkadiane biologije razvilo v zelo veliko in dinamično raziskovalno področje, ki ima velik vpliv na naše zdravje in dobro počutje.

vir: Vir: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/press-release/