Οι κιρκάδιοι ρυθμοί ελέγχουν το πότε βρισκόμαστε στο μέγιστο της απόδοσής μας σωματικά και διανοητικά κάθε μέρα, διατηρώντας τη ζωή μας εναρμονισμένη με τον κύκλο ημέρας/νύχτας της Γης. Το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής 2017 απονεμήθηκε σε τρεις Αμερικανούς επιστήμονες, τους Τζέφρι Χολ και Μάικλ Ρόσμπας του Πανεπιστημίου Μπράντεις και Μάικλ Γιανγκ του Πανεπιστημίου Ροκφέλερ, για να ρίξουν φως στο πώς μετριέται ο χρόνος κάθε μέρα στα βιολογικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένου του σώματός μας.
Από τους σπίνους του Δαρβίνου στα νησιά Γκαλαπάγκος μέχρι τους σύγχρονους κατοίκους των πόλεων, οι οργανισμοί προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους. Οι τακτικοί 24ωροι κύκλοι ημέρας και νύχτας στη Γη οδήγησαν στην εξέλιξη των βιολογικών ρολογιών που βρίσκονται μέσα στα κύτταρά μας. Αυτά τα ρολόγια μας βοηθούν να διαλέξουμε ασυναίσθητα την καλύτερη ώρα για ξεκούραση, αναζήτηση τροφής ή θήρευσης.
Το πεδίο της σύγχρονης κιρκαδικής βιολογίας ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970, όταν ο γενετιστής Seymour Benzer και ο μαθητής του Ron Konopka ανέλαβαν μια επαναστατική μελέτη για να εντοπίσουν τα γονίδια που κωδικοποιούν τον βιολογικό χρονισμό στις μύγες των φρούτων. Με αυτό το γονίδιο στο στόχαστρό τους, τα εργαστήρια των Hall, Rosbash και Young εγκαινίασαν τη μοριακή εποχή της κιρκαδικής βιολογίας καθώς ξεμπέρδεψαν τους μοριακούς μηχανισμούς της βιολογικής μέτρησης του χρόνου.
Γιατί πετάει;
Ο Benzer και ο Konopka πραγματοποίησαν ένα απλό πείραμα: ανίχνευσαν πότε η μύγα Drosophila melanogaster θα αναδυόταν από τη νύμφη της. Αυτή η αναπτυξιακή διαδικασία, που ονομάζεται έκλειση, χρησίμευσε ως ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της περίπλοκης βιολογικής διαδικασίας των κιρκάδιων ρυθμών. Επειδή οι νύμφες Drosophila εμφανίζονται μόνο μια συγκεκριμένη ώρα της ημέρας, ο Konopka μπορούσε να μετρήσει το χρόνο μεταξύ των γύρων κλεισίματος για διαφορετικά στελέχη μυγών και να εντοπίσει εκείνα που είχαν κακό ρολόι. Απομονώνοντας τα στελέχη των μυγών με προβλήματα χρονισμού, ήλπιζε ότι θα μπορούσε να μηδενίσει τα σχετικά γονίδια που έλεγχαν αυτό το εσωτερικό ρολόι.
Στο τέλος, ο Konopka βρήκε τρία μεταλλαγμένα στελέχη: ένα που είχε μια σύντομη, 19ωρη ημέρα. ένα με μια μεγάλη, 28-ωρη ημέρα και ένα μεταλλαγμένο που φαινόταν να μην έχει καθόλου ρολόι. Χρησιμοποιώντας γενετικά εργαλεία, μπόρεσε να δείξει ότι κάθε μία από τις υπεύθυνες μεταλλάξεις βρισκόταν εντυπωσιακά κοντά στο ίδιο χρωμόσωμα, υποδηλώνοντας ότι βρίσκονταν όλες μέσα σε ένα μόνο γονίδιο, το οποίο ο Benzer και ο Konopka ονόμασαν period (περίοδο) για τον προφανή έλεγχο του στον χρονισμό του ρολογιού.
Στη συνέχεια, ο αγώνας ξεκίνησε και το 1984, δύο ομάδες εντόπισαν τελικά αυτή τη λεγόμενη γονιδιακή περίοδο ρολογιού στις μύγες: τα εργαστήρια του Jeffrey Hall και του Michael Rosbash που εργάζονταν σε στενή συνεργασία στο Brandeis και το εργαστήριο του Michael Young στο Rockefeller.
Με το γονίδιο στο χέρι, αυτές οι ομάδες στόχευαν στη συνέχεια να καταλάβουν πώς το period ταιριάζει σε ένα βιολογικό ρολόι. Η πρώτη ένδειξη ήρθε όταν ο Jeffrey Hall και ο Michael Rosbash ανακάλυψαν ότι η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από αυτό το γονίδιο (ονομάζεται PER) αυξανόταν κατά τη διάρκεια της νύχτας και μειvόταν κατά τη διάρκεια της ημέρας, υποδηλώνοντας ότι τα επίπεδα της πρωτεΐνης μπορεί να μεταδίδουν με κάποιο τρόπο πληροφορίες χρόνου στο υπόλοιπο κύτταρο.
Βιολογικοί βρόχοι και χρονόμετρα
Αν απλώς φανταστείτε πώς ένα βιολογικό ρολόι μπορεί να παρακολουθεί καλύτερα τον χρόνο σε μια μέρα, μπορείτε να μεταβείτε σε μια νοητική εικόνα ενός χρονοδιακόπτη κλεψύδρας. Η άμμος σταδιακά εξαφανίζεται με την πάροδο του χρόνου. όταν φύγει όλη η άμμος, θα μπορούσε να δώσει σήμα για να ξεκινήσει ξανά η διαδικασία. Ήταν το γονίδιο PER η ουσία που διατηρούσε τον βιολογικό χρόνο αλλάζοντας σταδιακά κατά τη διάρκεια της ημέρας;
Μια βασική ιδέα προέκυψε όταν ο Hall και ο Rosbash σκέφτηκαν ότι αυτή η πρωτεΐνη PER μπορεί στην πραγματικότητα να μπλοκάρει τη δραστηριότητα του γονιδίου period, απενεργοποιώντας τον εαυτό της κάθε μέρα. Καθώς τα επίπεδα PER συσσωρεύονται κατά τη διάρκεια της νύχτας, όλο και λιγότερη νέα πρωτεΐνη PER παράγεται. Τελικά τα επίπεδα πρωτεΐνης πέφτουν και η διαδικασία ξεκινά από την αρχή. Αυτό ονομάζεται βρόχος αρνητικής ανάδρασης. Είναι ο ίδιος τύπος βιολογικής εξισορροπητικής πράξης που κρατά τα πάντα, από τα επίπεδα σακχάρου στο αίμα σας έως τους κιρκάδιους ρυθμούς σας σε ευθυγράμμιση σε όλο το σώμα σας.
Αυτό το είδος συστήματος αρνητικής ανάδρασης είναι παρόμοιο με το πώς ένας θερμοστάτης ελέγχει τη θερμοκρασία ενός δωματίου. Εάν η θερμοκρασία πέσει κάτω από το σημείο ρύθμισης, ο θερμοστάτης ενεργοποιεί τη θερμάστρα. Όταν το δωμάτιο γίνεται πολύ ζεστό, ο θερμοστάτης σβήνει τον φούρνο. Εδώ, η αρνητική ανάδραση -μια συσσώρευση θερμότητα – λειτουργεί για τον έλεγχο του θερμαντήρα και τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας.
Τώρα φανταστείτε ότι πρέπει να επαναλαμβάνετε αυτή τη διαδικασία ξανά και ξανά κάθε μέρα με σχεδόν ακριβή χρονισμό. Τα βιολογικά ρολόγια χρησιμοποιούν αρνητική ανάδραση από πρωτεΐνες ρολογιού, όπως η περίοδος, για να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται ξανά κάθε 24 ώρες. Πρόσθετες μελέτες στο εργαστήριο Young εντόπισαν άλλα βασικά γονίδια -που ονομάστηκαν Timeless και Double-Time- που ταιριάζουν σε αυτό το παζλ ελέγχοντας τον τρόπο με τον οποίο το γονίδιο PER ταξιδεύει γύρω από το κύτταρο για να απενεργοποιείται κάθε μέρα.
Συναρμολόγηση των γραναζιών σε μοριακά ρολόγια
Η εργασία τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχει ολοκληρώσει μια πολύ βαθύτερη κατανόηση του κιρκάδιου ρυθμού για να δείξει πώς οι περισσότεροι οργανισμοί έχουν ρολόγια που βασίζονται σε βρόχους ανάδρασης παρόμοιους με την Drosophila. Το εργαστήριο του Rosbash εντόπισε μέρος της πρωτεΐνης PER που είναι γνωστή ως περιοχές PAS που βρίσκουμε τώρα σε πολλές πρωτεΐνες ρολογιού από μύκητες και φυτά έως ανθρώπους. Οι περιοχές PAS βοηθούν τις πρωτεΐνες ρολογιού όπως είναι η PER να συζευχθούν με τους συνεργάτες τους για να ελέγξουν τον βρόχο αρνητικής ανάδρασης.
Συγκρίνοντας τις διαφορές στις δομές των περιοχών PER PAS της Drosophila και των ποντικών, οι επιστήμονες αρχίζουν τώρα να μαθαίνουν πώς τα πρωτεϊνικά “γρανάζια” του μοριακού ρολογιού ταιριάζουν μεταξύ τους για να πουν την ώρα. Η κατανόηση των κιρκάδιων ρυθμών σε ατομική ανάλυση όπως αυτή μας επιτρέπει να εξηγήσουμε πώς οι πρόσφατα εντοπισμένες μεταλλάξεις στο PER οδηγούν σε αλλαγές στον χρονισμό του ρολογιού και ανοίγουν την πόρτα σε θεραπείες που θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν τη δύναμη των κιρκάδιων ρυθμών για τη βελτίωση της ανθρώπινης υγείας.
Ζώντας με το ρολόι σας και τους φυσικούς του ρυθμούς
Τώρα έχουμε πολύ μεγαλύτερη εκτίμηση για τον κεντρικό ρόλο που διαδραματίζουν οι κιρκάδιοι ρυθμοί στο συντονισμό της ζωής μας με την ημέρα της Γης, ελέγχοντας τα πάντα, από τον μεταβολισμό μέχρι τη χρονική στιγμή του ύπνου. Το εργαστήριο του Young εντόπισε μια διαδεδομένη μετάλλαξη σε ένα γονίδιο του ανθρώπινου ρολογιού, το κρυπτόχρωμα 1, που επιμηκύνει το κυτταρικό ρολόι και καθιστά δύσκολο να κοιμηθείς πριν τα μεσάνυχτα. Αυτό το κληρονομικό γονίδιο «νυχτοκουκουβάγιας» εκτιμάται ότι είναι αρκετά κοινό και βρίσκεται σε 1 στους 75 ανθρώπους.
Η κατανόηση της ισχυρής ρύθμισης της βιολογίας με τους κιρκάδιους ρυθμούς αρχίζει να οδηγεί σε εκτεταμένες αλλαγές στην πολιτική. Για παράδειγμα, αντί να επιβάλλουν αυθαίρετα τα προγράμματα ύπνου μας σε ρουτίνες που απαιτούν ώρες νωρίς το πρωινό ξύπνημα, ορισμένοι ερευνητές δείχνουν ότι η προσαρμογή των προγραμμάτων μας για να ταιριάζει με τους φυσικούς μας ρυθμούς μπορεί να αποδώσει στη δουλειά και στο σχολείο. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τους εφήβους, οι οποίοι έχουν μια φυσική τάση να είναι «νυχτοπούλια» -η καθυστέρηση της ώρας έναρξης του σχολείου ακόμη και κατά μία ώρα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις ακαδημαϊκές επιδόσεις.
Η επιστήμη είναι ακόμα αρκετά μακριά από την κατανόηση των κιρκάδιων ρολογιών που οι ερευνητές εργάζονται για να βελτιστοποιήσουν τα προγράμματα εργασίας και ύπνου έχοντας κατά νου τη βιολογία μας. Και όλες αυτές οι καινοτομίες πολιτικής βασίζονται στα θεμέλια της βραβευμένης με Νόμπελ έρευνας με αυτές τις μικροσκοπικές μύγες φρούτων.
