Η ζωή στη γη έχει προσαρμοστεί πάνω στην περιστροφή του πλανήτη γύρω από τον ήλιο. Εδώ και αρκετά χρόνια γνωρίζουμε ότι οι ζωντανοί οργανισμοί, έτσι και ο άνθρωπος, έχουν ένα βιολογικό ρολόι που τους βοηθά να προσαρμόζονται στους ρυθμούς κάθε μέρας. Πώς λειτουργεί όμως αυτό το ρολόι; Ο Jeffrey C. Hall, ο Michael Rosbash και ο Michael W. Young μπόρεσαν να ρίξουν φως στους μηχανισμούς λειτουργίας του. Οι ανακαλύψεις τους συνέβαλαν στην κατανόηση των μηχανισμών με τους οποίους τα φυτά, τα ζώα και οι άνθρωποι προσαμόζουν το βιολογικό ρολόι τους στην περιστροφή της γης.

Από έρευνες στις μύγες των φρούτων, οι νικητές του βραβείου νόμπελ της φετινής χρονιάς, μπόρεσαν να απομονώσουν το γονίδιο που ελέγχει τον καθημερινό βιολογικό ρυθμό. Το γονίδιο αυτό κωδικοποιεί μία πρωτεΐνη η οποία συσσωρεύεται κατά τη διάρκεια της νύχτας και μειώνεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ακολούθως, ταυτοποίησαν και άλλες πρωτεΐνες που εμπλέκονται στο μηχανισμό αυτό, αποκρυπτογραφώντας έτσι τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί το βιολογικό ρολόι μέσα στο ίδιο το κύτταρο. Γνωρίζουμε πλέον, ότι το βιολογικό ρολόι λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο τόσο στον άνθρωπο όσο και στους υπόλοιπους πολυκύτταρους οργανισμούς.

Με εξαιρετική ακρίβεια, το εσωτερικό μας ρολόι προσαρμόζει τη φυσιολογία στις διαφορετικές φάσεις της ημέρας. Το ρολόι αυτό ρυθμίζει σημαντικές λειτουργίες όπως η συμπεριφορά, τα επίπεδα ορμονών, τον ύπνο, τη θερμοκρασία του σώματος και το μεταβολισμό. Όταν χάνεται ο συγχρονισμός μεταξύ του περιβάλλοντος και του εσωτερικού αυτού βιολογικού ρολογιού, για παράδειγμα κατά το “jet lag”, η γενικότερη υγεία μας διαταράσσεται. Η χρόνια ασυγχρονία μεταξύ του τρόπου ζωής και του ρυθμού που υπαγορεύει το εσωτερικό βιολογικό μας ρολόι σχετίζεται με μία σειρά παθήσεων.

Το εσωτερικό ρολόι

Οι περισσότεροι ζωτανοί οργανισμοί προσδοκούν και προσαρμόζονται στις καθημερινές αλλαγές του περιβάλλοντος. Κατά τον 18ο αιώνα, ο αστρονόμος Jean Jacques d’Ortous de Mairan μελέτησε το φυτό μιμόζα και παρατήρησε ότι τα φύλλα του άνοιγαν προς τον ήλιο κατά τη διάρκεια της ημέρας και «έκλειναν» τη νύχτα. Αναρωτήθηκε λοιπόν τι θα συνέβαινε αν τοποθετούσε το φυτό σε ένα περιβάλλον με απουσία ήλιου. Ανεξάρτητα από την παρουσία του ήλιου το φυτό συνέχιζε να ακολουθεί τον ίδιο κύκλο. Διαπίστωσε έτσι ότι τα φυτά έχουν βιολογικό ρολόι.

Άλλοι ερευνητές παρατήρησαν ότι αυτό συμβαίνει όχι μόνο στα φυτά, αλλά και στα ζώα και τους ανθρώπους – αυτοί δηλαδή έχουν ένα βιολογικό ρολόι που προσαρμόζει τη φυσιολογία τους ανάλογα με τις διακυμάνσεις κάθε ημέρας. Η φυσιολογική αυτή προσαρμογή λέγεται κιρκάδιος ρυθμός. Ο όρος προέρχεται από τα λατινικά circa που σημαίνει «γύρω» και dies που σημαίνει «μέρα». Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί το ρολόι αυτό πάντως παρέμενε άγνωστος.

Ταυτοποίηση του γονιδίου

Το 1970, ο Seymour Benzer και ο μαθητής του, Ronald Konopka, αναρωτήθηκαν αν είναι δυνατό να απομονώσουν τα γονίδια που ελέγχουν τον κιρκάδιο ρυθμό στις μύγες φρούτων. Απέδειξαν ότι οι μεταλλάξεις σε ένα άγνωστο, μέχρι τότε, γονίδιο προκαλούσαν διαταραχές στον κιρκάδιο ρυθμό. Ονόμασαν το γονίδιο αυτό “period”. Με ποιον τρόπο όμως επηρεάζε το γονίδιο αυτό τον κιρκάδιο ρυθμό;

Οι νομπελίστες της φετινής χρονιάς, οι οποίοι επίσης μελετούσαν τις μύγες φρούτων, προσπάθησαν να δώσουν απάντηση στο ερώτημα αυτό. Το 1984, ο Jeffrey Hall και ο Michael Rosbash, στο πανεπιστήμιο Brandeis της Βοστώνης καθώς και ο Michael Young στο πανεπιστήμιο Rockefeller της Νέας Υόρκης κατάφεραν να απομονώσουν το γονίδιο period. Ο Jeffrey Hall και ο Michael Rosbash στη συνέχεια, ανακάλυψαν ότι η πρωτεΐνη PER, την οποία κωδικοποιούσε το γονίδιο, συσσωρευόταν κατά τη διάρκεια της νύχτας και τα επίπεδά της παρουσίαζαν μείωση μέσα στη μέρα. Επομένως, τα επίπεδα της πρωτεΐνης παρουσίαζαν διακύμανση μέσα στο 24ωρο σε αντιστοιχία με τον κιρκάδιο ρυθμό.

Ένας αυτορυθμιζόμενος μηχανισμός

Ο επόμενος στόχος ήταν να κατανοηθεί ο τρόπος με τον οποίο οι κιρκάδιες αυτές διακυμάνσεις μπορούσαν να συντηρηθούν. Ο Jeffrey Hall και ο Michael Rosbash υπέθεσαν ότι η πρωτεΐνη PER περιόριζε τη δραστηριότητα του γονιδίου period. Η λογική πίσω από την υπόθεση αυτή ήταν ότι η πρωτεΐνη PER είχε τη δυνατότητα να αναστείλει τη σύνθεσή της, ρυθμίζοντας έτσι τα επίπεδά της σε ένα συνεχή, κυκλικό ρυθμό.

Όσο το γονίδιο PER είναι ενεργό, παράγεται mRNA. Το mRNA μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα και χρησιμεύει σαν «καλούπι» για την παραγωγή της πρωτεΐνης PER. Η πρωτεΐνη PER συσσωρεύεται στον πυρήνα του κυττάρου, όπου αναστέλλει τη λειτουργία του γονιδίου PER. Δημιουργείται έτσι ένας συνεχής κύκλος που ταιριάζει με τον κιρκάδιο ρυθμό.

Το μοντέλο αυτό ήταν εντυπωσιακό, ωστόσο έλειπαν μερικά κομμάτια ακόμα για να συμπληρωθεί το παζλ. Προκειμένου να αναστείλει τη δραστηριότητα του γονιδίου period, η πρωτεΐνη PER έπρεπε να εισέλθει στον πυρήνα, καθώς εκεί βρίσκεται το γενετικό υλικό. Ο Jeffrey Hall και ο Michael Rosbash απέδειξαν ότι η πρωτεΐνη PER συσσωρεύεται στον πυρήνα κατά τη διάρκεια της νύχτας χωρίς όμως να εξηγούν πώς βρέθηκε εκεί. Το 1994, ο Michael Young ανακάλυψε ένα δεύτερο γονίδιο, το timeless, το οποίο κωδικοποιούσε την πρωτεΐνη TIM, επίσης απαραίτητη για τη διατήρηση ενός φυσιολογικού κιρκάδιου ρυθμού. Απέδειξε ότι η πρωτεΐνη TIM, όταν συνδεθεί με την πρωτεΐνη PER, μπορεί να εισέλθει στον πυρήνα όπου αναστέλει την έκφραση του γονιδίου period.

Εξηγήθηκε, έτσι, πώς η πρωτεΐνη PER εισέρχεται στον πυρήνα, ωστόσο υπήρχαν και άλλα ερωτήματα. Τι ρύθμιζε τη συχνότητα των κύκλων; Ο Michael Young ταυτοποίησε ακόμα ένα γονίδιο, το doubletime. Το γονίδιο αυτό κωδικοποιεί την πρωτεΐνη DBT η οποία καθυστερεί τη συσσώρευση της πρωτεΐνης PER. Η ανακάλυψη αυτή ουσιαστικά απάντησε πώς οι διακυμάνσεις της πρωτεΐνης PER ακολουθούν κύκλους 24 ωρών.

Οι ανακαλύψεις αυτές, στο σύνολό τους, μας βοήθησαν να καταλάβουμε αρκετούς μηχανισμούς που σχετίζονται με τη λειτουργία του βιολογικού ρολογιού. Τα ακόλουθα χρόνια, ήρθαν στο φως και άλλα μοριακά στοιχεία των μηχανισμών αυτών, με αποτέλεσμα να εξηγηθεί καλύτερα η σταθερότητα και η λειτουργία τους. Για παράδειγμα, οι νικητές του βραβείου νόμπελ για φέτος, ανακάλυψαν μερικές ακόμες πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην ενεργοποίηση του γονιδίου period καθώς και τον ρόλο που παίζει το ηλιακό φως στον συγχρονισμό του βιολογικού ρολογιού.

Η ώρα στη φυσιολογία του ανθρώπου

Το βιολογικό ρολόι εμπλέκεται σε αρκετές πτυχές της πολύπλοκης φυσιολογίας μας. Γνωρίζουμε, πλέον, ότι όλοι οι πολυκύτταροι οργανισμοί, όπως και ο άνθρωπος, χρησιμοποιούν παρόμοιους μηχανισμούς για τη ρύθμιση του κιρκάδιου ρυθμού. Ένα μεγάλο ποσοστό των γονιδίων μας ρυθμίζεται από το βιολογικό ρολόι και, επομένως, ένας καλά ρυθμισμένος κιρκάδιος ρυθμός προσαρμόζει τη φυσιολογία μας στις διάφορες ώρες της ημέρας. Μετά από αυτές τις ανακαλύψεις, η βιολογία του κιρκάδιου ρυθμού αποτελεί πεδίο μεγάλου ενδιαφέροντος καθώς φαίνεται ότι αυτός μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την υγεία και την ευεξία μας.

Πηγή: Nobelprize.org