Nobelova nagrada za medicino 2017

Kot je v navadi, oktobra izvemo, kdo bo prejel letošnje Nobelove nagrade. Začelo se je z nagrado za medicino, katere prejemnike so danes oznanili v Stockholmu. Nobelov odbor pri Karolinska Institutet se je odločil, da jo prejmejo ameriški genetiki Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash in Michael W. Young za odkritje molekularnih mehanizmov, ki uravnavajo bioritem oziroma notranjo biološko uro. Njihova odkritja pomagajo pojasniti, kako živa bitja prilagajajo svoj biološki ritem 24-urnemu ciklu dan-noč.

Ker se Zemlja okrog svoje osi zavrti v 24 urah, od česar je v povprečju slaba polovica teme, dobra polovica pa dneva, so živa bitja razvila mehanizme, ki se uravnavajo po tem zunanjem ciklu. V resnici je svetlobe več kakor teme, ker Sonce ni točkast vir svetlobe in ker se svetloba zaradi atmosfere lomi, tako da je pred vzhodom in po zahodu nekaj časa svetlobe. Toda spremembe se še vedno dogajajo s 24-urno periodo, ki jo živa bitja zelo dobro razumejo. Letošnji nagrajenci so pokazali, kako jim to uspeva. Večino raziskav so opravili na vinski mušici, ki je ena izmed najbolj priljubljenih laboratorijskih živali, saj jo zelo dobro poznamo.

Zelo dolgo časa je bilo neodgovorjeno vprašanje, ali je 24-urni cikel v živih bitjih endogen ali ne. Z drugimi besedami, ali se bo obdržal, četudi jih postavimo v okolje, kjer ni razlike med dnevom in nočjo (v najširšem pomenu besede, ne zgolj svetlobnem). Francoski astronom Jean Jacques d'Ortous de Mairan je že leta 1729 ugotovil, da se listi mimoze zapirajo in odpirajo, četudi je rastlina postavljena v temo. Dvesto let pozneje je Erwing Bünning pokazal, da si listi fižola premikajo v značilnem ritmu, četudi so nenehno osvetljeni. Poznejši eksperimenti so pokazali, da je bioritem deden.

Seymour Benzer in Ronald Konopka na California Institute of Technology sta preučevala vinske mušice, ko so bile različno mutirane. Ena skupina ni imela bioritma, druga je imela 18-urnega, tretja pa 29-urnega. Izkazalo se je, da so vse vrste imele mutacijo v istem genu, ki je bil prvi odkrit gen, ki vpliva na 24-urni bioritem. Ni pa bilo jasno, kako ta gen vpliva na bioritem. To so odkrili letošnji nagrajenci.

Najprej so izolirani omenjeni gen, ki so ga poimenovali period. Ta gen kodira protein PER, ki vpliva na bioritem. Več let pa je ostala uganka, kako PER deluje. Najprej so odkrili, da se koncentracija proteina PER v nevronih vinske mušice spreminja s 24-urno periodo. To je že obetavno, saj je takšna tudi perioda normalnega bioritma. Najvišjo koncentracijo PER doseže sredi noči. Podobno je veljalo za mRNA, ki jo kodira isti gen in ki se prevede v PER. Mutacija v genu period je ta cikel preprečila. Zato se je znanstvenikom porodila ideje, da gre za negativno povratno zanko, ki so v biologiji pogoste in služijo za ohranjanje homeostaze. Kasneje so odkrili še en gen timeless, ki je tudi potreben za tek biološke ure. Končne odgovore je ponudilo šele odkritje še dveh genov, clock in cycle.

Koncentracija proteina PER oscilira s 24-urno periodo. Koncentracija ustrezne mRNA prav tako oscilira, le da maksimum doseže nekoliko prej, kar je logično, ker se mRNA prevaja v protein. Protein PER mora priti v jedro, kjer se veže na lasten gen in ga negativno regulira (inhibira). Protein TIM, katerega kodira gen timeless, prav tako oscilira v koncentraciji in se veže s proteinom PER, da lahko preideta membrano. To je ključno, da lahko regulira aktivnost gena period. Celoten mehanizem je zelo kompleksen, saj poleg genov clock in cycle vsebuje še gena doubletime in cry. Kompleksnost skrbi za robustnost mehanizma, ki ga je mogoče tudi ponastaviti. Če zamenjamo časovni pas, se bo v nekaj dneh prilagodil tudi bioritem.