Autentificare
Dacă ești abonat medichub.ro, autentificarea se face cu adresa de E-mail și parola pe care le utilizezi pentru a intra în platformă.
Abonează-te la „Viața medicală” ca să ai acces la întreg conținutul săptămânalului adresat profesioniștilor din Sănătate!
#DinRecunostinta
Căutare:
Căutare:
Acasă  »  ACTUALITATE  »  Reportaje

Mecanismele moleculare ale ritmului circadian și imagistică în rezoluție atomică

Viața Medicală
Dr. Aurel F. MARIN vineri, 13 octombrie 2017

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.

Abonează-te la Viața Medicală

Dacă vrei să fii la curent cu tot ce se întâmplă în lumea medicală, abonează-te la „Viața Medicală”, săptămânalul profesional, social și cultural al medicilor și asistenților din România!
  • Tipărit + digital – 160 de lei
  • Digital – 103 lei
Titularii abonamentelor pe 12 luni sunt creditați astfel de:
  • Colegiul Medicilor Stomatologi din România – 5 ore de EMC
  • Colegiul Farmaciștilor din România – 10 ore de EFC
  • OBBCSSR – 7 ore de formare profesională continuă
  • OAMGMAMR – 5 ore de EMC
Află mai multe informații despre oferta de abonare.