V přírodě se všechno děje periodicky – ale nejen v přírodě: vždy koncem září se ve vědeckých časopisech začnou objevovat tipy na laureáty Nobelových cen. A vždy se netrefí. Letos se nejvíc sázelo na práci týkající se CRISPT, což jsou (zjednodušeně řečeno) buněčné mechanismy imunity, a stejně jako každý rok i letos byly odhady úplně vedle.

Navzdory prognózám prestižní ocenění dostali vědci, kteří odhalili základy fungování nejdůležitějších biorytmů. Jde o takzvané cirkadiánní rytmy, tedy cykly, jejichž délka je blízká střídání dne a noci, ale není úplně stejná – periodicita se pohybuje v rozmezí 20 až 28 hodin.

Nobelovský výbor své rozhodnutí odůvodnil takto: "Jejich objevy objasňují jak rostliny, zvířata a lidé regulují své biorytmy, aby byly synchronní s otáčením Země."

Světlo a tma pro zdraví

To, že se aktivita všech organismů (včetně nás) mění v průběhu dne, není pro nikoho novinka. A problém, jak to funguje, nevypadá jako tak významný, aby stačil na Nobelovu cenu. Ve skutečnosti střídání noci a dne nemá vliv jen na to, jestli se nám chce spát, ale ovlivňuje celou řadu důležitých pochodů v těle.

Například pobyt na světle a ve tmě řídí produkci hormonů serotonin a melatonin, které ovlivňují psychiku, mají vliv na stárnutí a imunitu a jejich nedostatek nebo nadbytek může způsobit celou řadu nemocí včetně rakoviny, chorob oběhového systému a degenerativních onemocnění nervového systému (včetně obávané Alzheimerovy choroby).

Střídání světla a tmy řídí prostřednictvím cirkadiánního rytmu celkový stav organismu od nálady, přes pocity svěžesti nebo únavy, až po výkonnost metabolismu a změny tělesné teploty. Nedostatečné respektování denní periodicity je patrně jednou z hlavních příčin civilizačních chorob.

Typickým projevem jsou také poruchy při rychlém cestování přes několik časových pásem.

Snaha odhalit mechanismus cirkadiánního rytmu začala v 70. letech minulého století, kdy americký genetik Seymour Benzer (1921–2007) a jeho student Ronald Konopka (1947–2015) prokázali, že mutace jednoho z genů u octomilek způsobí změnu denního biorytmu.

Nepodařilo se jim však zjistit, o který gen konkrétně jde, tak mu aspoň dali jméno Period.

Hodinový strojek v buňce

Roku 1984 se do řešení problému pustili letošní laureáti. Jeffrey Hall a Michael Rosbash tehdy spolupracovali s Brandeis University v Bostonu, zatímco Michael Young působil na Rockefeller University v New Yorku.

Podařilo se jim identifikovat gen Period, jehož existenci předpověděli Benzer a Konopka. To ale samo o sobě na objasnění principu fungování cirkadiánního rytmu ještě nestačilo – bylo nutné odhalit mechanismus, kterým se působení genu přenáší na celý organismus.

Ukázalo se, že jeho důležitou součástí je protein nazvaný PER produkovaný buněčnou cytoplasmou. Jeho množivá funkce během noci roste, zatímco během dne se odbourává.

Hall a Rosbash vyslovili hypotézu, že zvýšené množství PER v noci blokuje funkci genu Period, zatímco jeho pokles za dne gen "odbrzďuje". To také později dokázali.

Stále ale nebylo jasné, jak může bílkovina z cytoplasmy ovlivňovat buněčné jádro obsahující geny. Poslední díl skládačky odhalil roku 1994 Michael Young, když objevil další gen fungující jako kolečko tohoto hodinového strojku. Ten ovlivňoval produkci jiného proteinu nazvaného TIM. Young prokázal, že PER a TIM se společnými silami k jádru dostanou.

Mechanismus prokázaný u octomilek je v principu stejný u většiny mnohobuněčných organismů včetně člověka. Jeho znalost umožní pochopit řadu pochodů ovlivňovaných biologickými hodinami, což dává medicínskému výzkumu do ruky mocný nástroj k výzkumu a pochopení mnoha závažných nemocí.

Související