Premiul Nobel pentru fiziologie sau
medicină a fost câștigat anul acesta de americanii Jeffrey C. Hall, Michael
Rosbash și Michael W. Young pentru descoperirile lor privind mecanismele
moleculare care controlează ritmul circadian. Elvețianul Jacques Dubochet,
germanul Joachim Frank și scoțianul Richard Henderson împart Premiul Nobel
pentru chimie, câștigat pentru dezvoltarea criomicroscopiei electronice pentru
determinarea cu înaltă rezoluție a structurii biomoleculelor în soluție.
După
soare și fără soare
Unul
dintre mecanismele adaptive apărute de-a lungul evoluției speciilor pe Pământ a
fost indus de mișcarea de rotație a planetei noastre. Unele organisme
unicelulare și cele multicelulare au dezvoltat un ceas biologic intern care le
ajută să anticipeze și să se adapteze la diferitele momente ale zilei. Sistemul
circadian este generat de un oscilator autosusținut pe durata celor 24 de ore
cât durează o mișcare de revoluție a Pământului, care declanșează sau întreține
mecanismele fiziologice ce leagă oscilatorul intern de stimulii externi (precum
lumina, temperatura exterioară etc.) și de răspunsurile diferitelor organe și
sisteme.
Existența
unui asemenea ceas biologic nu este o descoperire tocmai recentă. În prima
jumătate a secolului XVIII, astronomul francez Jean Jacques d’Ortous de Mairan
arăta că frunzele de mimoză, care se deschid în zori și se închid la apusul
soarelui, continuă acest ciclu chiar și atunci când planta este ținută în
întuneric (fig. 1). Observația avea să fie reprodusă, două secole mai
târziu, de germanul Erwing Bünning (anii ’30 ai secolului XX), care a
înregistrat mișcările frunzelor unei plante de fasole în timpul ciclurilor
zi/noapte și apoi la expunerea constantă la lumină, observând că ritmul
mișcărilor frunzelor persistă chiar și în aceste condiții. Dezbaterea însă avea
să continue în privința explicației mecanismului care stă la baza acestui ciclu
circadian, de o parte fiind cei care susțineau existența unui ceas biologic
intern, de cealaltă cei care credeau că variațiile circadiene sunt doar urmarea
expunerii la stimuli cu variații circadiene.
Gena
per
În
anii ’60, Seymour Benzer și Ronald Konopka, de la California Institute of
Technology, au început o serie de cercetări pentru a identifica musculițe de
oțet (Drosophila melanogaster) mutante cu fenotipuri circadiene
alterate. Teoria cercetătorilor era că aceste schimbări ale ciclului circadian
ar fi urmarea unei mutanții unice. Ei au identificat trei mutante, una
aritmică, alta cu ritmul scurtat de la 24 la 19 ore, iar a treia cu un ritm de
28 de ore. Metodele timpului de cartare a mutației genetice au indicat, în
toate cele trei cazuri, aceeași regiune de pe cromozomul X al drosofilei. Cei
doi au prezis atunci că mutațiile respective ar implica aceeași genă,
inactivată în primul caz și alterată funcțional în celelalte două. Deși locusul
genic implicat a fost localizat destul de precis de Konopka, aveau să treacă
ani buni până când gena să poată fi clonată și secvențiată molecular.
La
mijlocul anilor ’80, un grup de la Universitatea Brandeis, condus de Jeffrey
Hall și Michael Rosbash, și grupul lui Michael Young, de la Universitatea
Rockefeller, au reușit să izoleze gena implicată – per (period) – și să
descrie structura moleculară a acesteia. Cu toate acestea, eforturile lor nu au
reușit să identifice un mecanism molecular pentru ceasul circadian.
Bucla
de feedback
Hall
și Rosbash au continuat cercetările și au descoperit că proteina PER,
codificată de gena per, se acumulează în timpul nopții și se degradează
în timpul zilei. Astfel, nivelurile proteinei oscilează ciclic în fiecare zi,
în deplină sincronicitate cu ritmul circadian. Mecanismul propus pentru a
explica variațiile proteinei a fost că aceasta blochează activitatea genei per
printr-o buclă de feedback inhibitor, practic proteina reglându-și propriile
niveluri circulatorii într-un ritm ciclic continuu (fig. 2).
O
a doua genă implicată în ritmul circadian avea să fie descoperită în 1994, de
grupul lui Young: tim (timeless), care codifică proteina TIM. Când TIM
se leagă de proteina PER, cele două sunt capabile să treacă din citoplasma
celulară în nucleu, unde blochează activitatea genei per, închizând
astfel bucla de feedback (fig. 3). Abia la finalul secolului trecut,
studii realizate de alte grupuri au identificat două gene noi, clock și cycle.Proteinele codificate de acestea, CLK și CYC, interacționează între ele și
se leagă de elemente specifice de pe genele per și tim, reglând
astfel expresia acestora. La rândul lor, TIM și PER sunt reglatori ai
activității CLK, astfel închizând bucla de feedback.
Modelele
studiate în prezent sunt mult mai complexe și includ numeroase alte componente,
care împreună asigură robustețe și stabilitate periodicității circadiene.
Ceasuri
în rețea
Programul
circadian este controlat și reglat atât la nivel central, cât și la nivel
periferic. La mamifere, pacemakerul central este localizat în nucleul
suprachiasmatic din hipotalamus și este principalul ceas circadian. Retina
primește semnalul luminos și îl transmite mai departe către nucleul
suprachiasmatic, care își sincronizează astfel propriile ceasuri neuronale. Mai
departe, ceasul central reglează ritmurile circadiene din întregul organism
prin factori umorali și prin intermediul sistemului nervos vegetativ. Cercetări
de la finalul secolului XX au arătat că majoritatea organelor și țesuturilor
pot exprima oscilații circadiene în cazul în care se întrerupe legătura cu
pacemakerul central.
Sincronizarea
ceasurilor biologice periferice poate fi realizată fie de nucleul
suprachiasmatic, fie prin factori de mediu, precum alimentarea, activitatea
fizică și temperatura. Studii foarte recente au demonstrat cum ceasurile
biologice periferice din diferite țesuturi controlează diverse efecte
fiziologice, precum producția de glucoză, depozitarea grăsimii și eliberarea
hormonilor. La rândul lor, acestea servesc ca indicatori pentru alte ceasuri
din organism, toate aflate într-un mai larg mecanism de feedback cu nucleul
hipotalamic amintit. Cu alte cuvinte, sistemul circadian al organismului
trebuie înțeles ca o rețea de oscilatori interconectați, cu numeroase bucle de
feedback.
Ritmul
circadian și sănătatea
Impactul
cronobiologiei asupra sănătății umane este unul foarte important. Ceasul
circadian reglează tiparul de somn, comportamentul alimentar, eliberarea de
hormoni, tensiunea arterială și temperatura corporală (fig. 4). De
asemenea, genele circadiene exercită o influență profundă asupra metabolismului
prin controlul gluconeogenezei, sensibilității la insulină și oscilației
nivelurilor serice ale glucozei, după cum au demonstrat-o cercetări de anul
acesta.
Disfuncțiile
ritmului circadian au fost corelate cu tulburări ale somnului, dar și cu
depresie, tulburare bipolară, disfuncții cognitive, afectarea formării memoriei
și cu unele boli neurologice. Mai mult, nepotrivirea dintre stilul de viață și
ritmul circadian se poate asocia cu risc crescut pentru boli precum cancerul,
afecțiunile neurodegenerative, tulburările metabolice și inflamația.
Descoperirea
buclelor de transcripție/translație aflate la baza mecanismelor moleculare prin
care se exercită controlul genetic asupra oscilațiilor circadiene a schimbat
modul în care înțelegem adaptarea organismelor la mediu. Descoperirile
realizate de laureații Nobel de anul acesta au contribuit decisiv la
înțelegerea mecanismelor fiziologice și au deschis un domeniu de cercetare nou
și dinamic – biologia circadiană – cu implicații importante pentru sănătatea
umană.
Bacteriorodopsina
O
imagine valorează cât o mie de cuvinte. În știință, o imagine reușită poate să
valoreze cât un premiu Nobel, după cum deja am văzut de mai multe ori, în
domeniile medicinei/fiziologiei și chimiei. Tehnicile avansate au permis
vizualizări spectaculoase în ultimii ani (fig. 5).
În
ce privește vizualizarea biomoleculelor complexe (ADN, ARN), studiile
imagistice au început în anii ’50 ai secolului trecut, când cercetători de la
Cambridge au expus cristale proteice la radiație X, reușind astfel să
vizualizeze structurile ondulate și spiralate. În anii ’80,
cristalografiei cu raze X i s-a adăugat spectroscopia prin rezonanță magnetică
pentru studiul proteinelor în stare solidă și în soluție. Tehnica a permis nu
doar vizualizarea structurii, ci și a modului în care moleculele respective
interacționează cu alte molecule. Astfel s-a trecut la crearea unor baze de
date cu mii de modele structurale de molecule utilizate în cercetarea
fundamentală și în dezvoltarea de medicamente. Neajunsurile celor două metode
sunt însă că rezonanța magnetică în soluție poate fi aplicată doar moleculelor
relativ mici, iar cristalografia cu raze X funcționează doar cu cristale bine
organizate.
După
numeroase încercări și rezultate puțin satisfăcătoare, Richard Henderson a
reușit, în 1975, să producă la microscopul electronic un model tridimensional
al structurii bacteriorodopsinei, o proteină membranară, model care arăta cum
lanțul proteic străbătea membrana de șapte ori (fig. 6). A fost nevoie
însă de mai multe îmbunătățiri ale microscopului electronic pentru a adăuga
detalii imaginii obținute în 1975. Henderson avea să publice abia în 1990
structura bacteriorodopsinei la rezoluție atomică (fig. 7).
3D
și vitrificarea apei
În
aceeași perioadă, Joachim Frank căuta soluții pentru a utiliza informațiile
bidimensionale furnizate de microscopul electronic pentru a genera o imagine
tridimensională de înaltă rezoluție. Metoda propusă de el (fig. 8) avea
să fie fundamentală pentru dezvoltarea criomicroscopiei electronice.
Jacques
Dubochet avea să realizeze alt pas important pentru perfecționarea metodei,
prin răcirea apei din soluția proteică atât de repede încât să se solidifice în
formă lichidă, rezultând o sticlă în loc de cristale (sticla fiind fluidă,
deoarece moleculele sunt în dezordine). După descoperirea metodei de
vitrificare a apei, grupul lui Dubochet a dezvoltat rapid o tehnică încă în uz
în criomicroscopia electronică (fig. 9). Acesta a publicat în 1984
primele imagini cu diferite virusuri, rotunde și hexagonale, în contrast
puternic cu fundalul oferit de apa vitrificată.
Pasul
spre rezoluția atomică
Punând
cap la cap toate aceste metode și inovații tehnice, în 1991, Frank reușea să
obțină o structură tridimensională a ribozomilor la o rezoluție de 40 Å. A fost
nevoie de mai bine de două decenii pentru ca rezoluția imaginii să poată fi
ameliorată. Ultimul pas s-a realizat abia în 2013 (fig. 10).
Prin
utilizarea criomicroscopiei electronice, în prezent este relativ la îndemână să
fie vizualizate proteinele membranare, care adesea servesc ca ținte pentru
medicamente, dar și complexe moleculare mari.
La documentarea acestui articol au fost
utilizate materiale publicate de Comitetul Nobel, dar și articolele originale
ale laureaților Nobel de anul acesta.
