Von Frucht-Fliegen-Nobel-Preis: Der Circadiane Rhythmus Story

Clock on man's blue eye circadian rhythm (1000 x 667)

Drei Wissenschaftler—Jeffrey C. Hall von der Universität von Maine, Michael Rosbash der Brandeis University, und Michael W. Young von der Rockefeller-Universität—vor kurzem gewann einen wohlverdienten 2017 Nobelpreis in Physiologie oder Medizin für Ihre Arbeit, erläutert, wie unser Gehirn die biologische Uhr arbeitet. Die Geschichte, wie Sie aus Ihrer Entdeckungen ist faszinierend. Aber zuerst, ich abzulenken, für einen kurzen Märchen.

 

Eine kurze Geschichte

Als ich 10 Jahre alt war, nahm mein Vater mich auf einen Botengang. Eine der Stationen war an einer kleinen heruntergekommenen Uhr-Reparatur-shop. Der alte Mann hinter der Theke war verbogen und ausgetrocknete. Er hatte, was ich dachte, war eine komische Lupe stecken in einem Auge (ich Frage mich immer noch, wie er verwaltet, um es von herunterfallen). Er kaum sah, wie er erweitert seine hand zu nehmen, mein Vater ist marode Uhr. Er öffnete die zurück, tippte auf den Mechanismus, und kündigte seine Diagnose. „Schmutz!“, rief er mit einer Mischung aus Ekel-und Rügepflichten (schmutz bedeutet, dass Schmutz in Jiddisch).

Er fuhr Fort, reinigen Sie es auf der Stelle und voilá, die Toten zu sehen war lebendig und wieder zu ticken. Mit der Naivität des Kindes, das ich war, fragte ich: „Was macht eine Uhr tick?“ Der alte Mann deutete auf eine gezackte ZAHNRAD machte Alternative bewegt sich nach rechts und Links. Sagte er mit fehlerlosen irritation “Was, kannst du nicht sehen? Dieses Ding geht hin und her.“ Ich hätte es besser wissen müssen; die alten Leute immer beantwortet eine Frage mit einer Gegenfrage, wie er es Tat, ließ mich grübeln: was Aber macht dieses „Ding“ hin und her gehen, mit einer Konstanten rate, nicht fehlen einen beat? Aber ich wagte nicht zu Fragen.

 

Was ich ausgelassen Letzte mal schrieb ich über die Uhr

Schrieb ich einen Artikel über die biologische Uhr eine Weile zurück. Nachdem ich Sie veröffentlicht habe, hatte ich ein nagendes Gefühl, dass ich war wie, dass die Uhr Handwerker in meiner kindheit. Ich beschrieb in dem Artikel, wie sich das Licht löst elektrische Impulse, die kommen, werden über die Sehnerven zum suprachiasmatischen nucleus (SCN) und von dort an die Zirbeldrüse, die wiederum steuert die Ausschüttung des Hormons melatonin. Was ich beschrieb, war die sichtbaren anatomischen und physiologischen Maschinerie, die äquivalent zu der „Sache“ in der Uhr, aber ich konnte nicht beschreiben, wie „die Sache“ tatsächlich funktioniert. Diese Antwort wurde durch die detaillierte Arbeit des neu Gesalbten Nobelpreisträger und die wunderbare Geschichte ist das Thema der heutigen post.

 

Die Geschichte einer Entdeckung

Seymour Benzer war der Physiker, die „Entdeckung“ des angehenden neuen Gebiet der molekularen Genetik—es war Liebe auf den ersten Blick. Er war davon überzeugt, dass Gene Verhalten Steuern, Recht umstritten in diesen Tagen, und dass durch die Einführung von Mutationen geführt, abnormales Verhalten, er konnte die Verbindung zwischen bestimmten Genen und die normalen Verhaltensweisen, die Sie kontrollieren.

Er machte die inspiriert, Wahl der Taufliege, Drosophila melanogaster, als seine experimentellen Modell. Warum hat er sich ausgerechnet diese winzigen Fliegen? Weil eine Vielzahl von Verhaltensstudien wurde bereits drauf gemacht. Und die kurze Lebensdauer der Fliegen, der ihm erlaubte, schnell viele Nachkommen von Mutanten. Die Wahl des niedrigen Obst-Fliegen war auch basierend auf Benzer ist die überzeugung, dass die evolution und Ihre Tools der natürlichen Selektion sind von Natur aus konservativ (nicht politisch), was bedeutet, dass es off-the-shelf-Gene eher als „erfinden“ neue. Zum Beispiel, seine Wette war, dass das gleiche gen, das steuert die hell/dunkel Periodizität in Drosophila (und auch Tieren) hat ein analogen in die höheren Tiere, einschließlich des Menschen. Also, geboren wurde, den Bereich der verhaltensgenetik.

Benzer und seine Schüler, Ron Konopka, veröffentlicht auf der ersten zirkadianen Rhythmus-gen und seine Mutanten in Drosophila-Fliegen im Jahr 1971. Sie nannten das gen „period“ an. Dies war die erste von mehreren bahnbrechenden Studien über einzelne Gene beeinflussen das Verhalten, die Studien repliziert worden sind, in anderen Tiermodellen und sind jetzt die basis für den wachsenden Bereich der molekularen Biologie des Verhaltens.

1992 Benzer, die Zusammenarbeit mit Michael Rosbash—einer der Nobelpreisträger in diesem Jahr—erweitert diese Arbeit zeigt, dass das PRO-protein, codiert durch die Zeit gen, überwiegend gelegen in den Zellkernen von Nervenzellen der Fruchtfliege. Ihre Arbeit mit Zeit gen-Mutanten wurde der Katalysator in der Studie von zirkadianen Rhythmen und diente treiben den Bereich voran.

Dieses Werk war so Revolutionär, dass es wurde allgemein davon ausgegangen, dass Seymour Benzer würde, bekommt den Nobelpreis. Ach, hat er nicht. Er starb 2007 im Alter von 86. Konopka, ein weiterer wichtiger Beitrag zu den arbeiten, starb im Jahr 2015.

Jeffrey Hall war auch bei Brandeis und arbeitete mit Rosbash auf der Drosophila-period-gen. Seine ersten arbeiten zeigten, dass das gen ist wichtig für die Regulierung des Rhythmus der Balz song-Zyklen, produziert von männlichen Drosophila. Die Tatsache, dass es reguliert den Rhythmus gemeint, dass das gen hatte eine Art von einer Zeit-keeping-Funktion. Es dauerte nicht lange, und die beiden Brandeis Wissenschaftler, die tatsächlich erste erfüllt, die auf einem Basketballplatz zu einer fruchtbaren Zusammenarbeit resultierte in der Isolierung der Periode-Gens entdeckt worden, die von Seymour Benzer, 1971.

Die Isolierung des Gens dann erlaubt, Sie zu identifizieren, das protein, dass es codes für. Sie nannten es PRO. Aber das war nur der erste Schritt. Sie entdeckten auch, dass PRO erfährt circadianen Oszillation: Seine Konzentration steigt in der Nacht, und es bricht während des Tages. Dies wiederum regelt die Oszillation der mRNA, die das Transkript des Zeit-gen. [Eine Erinnerung, falls Ihr die Molekularbiologie ist ein wenig verschwommen: Ein gen ist der DNA wird zunächst transkribiert in RNA, die wiederum übersetzt, in das Zytoplasma, um die Aminosäuresequenz eines proteins.] Die Entdeckung dieser Oszillation ist ähnlich zu beschreiben, das ZAHNRAD einer Uhr. Aber es erzählt uns noch nicht, wie die Schwingungen erzeugt werden.

Benzer und Rosbach gefunden, dass der PRO-protein befindet sich hauptsächlich im Zellkern von Zellen, doch wissen wir, dass Proteine synthetisiert werden, die in das Zytoplasma. Wie funktioniert PRO-protein wieder in den Zellkern? Könnte es etwas zu tun mit der Erzeugung der Schwingung?

 

Schließen der Schleife

Geben Sie der Dritte Gewinner im Bunde, der den Nobelpreis gewann. Michael Jung, arbeiten selbständig an der Rockefeller-Universität in New York, war auch daran interessiert, die pro gen und den circadianen Rhythmus von Drosophila. Er und seine Arbeitsgruppe das problem, dass wir früher betont: Wie die PRO-proteins könnte in Erster Linie im Zellkern, wenn es erzeugt wurde, in das Zytoplasma.

Im Jahr 1994 veröffentlichten Sie ein Papier in der Wissenschaft, die ein gen identifiziert, dass Sie den Namen zeitlos. Dieses gen kodiert für ein protein, das sogenannte TIM (beachten Sie, wie die protein-name die ersten 3 Buchstaben des Gens, dass codes). TIM bindet mit PRO und hilft es wieder in den Kern. Dort angekommen, wird das PRO-protein reguliert die expression des eigenen Gens, Zeitraum, über den Aufstieg und fall Ihrer Konzentrationen. Was wir also hier haben, ist ein system, das reguliert sich selbst durch eine negative feedback-Schleife.

So dort haben Sie es. Diese Wissenschaftler erläutert die molekularen details der streng geregelte feedback-gesteuerte circadiane Rhythmus ist grundlegend für die meisten Organismen auf dem Planeten, einschließlich uns Menschen.

 

Warum ist diese Entdeckung so wichtig?

Einen offensichtlichen Grund, warum diese Entdeckung so wichtig ist, ist, dass das Verständnis des Mechanismus der Schlaf – /wach-Zyklen wird es uns ermöglichen, zu verstehen und zu korrigieren Anomalien im Zyklus. Insomniacs haben ein vitales Interesse daran, dass, wie die Millionen von Menschen, die Arbeit die Nachtschicht oder andere unregelmäßige Zeitpläne. Aging Menschen, die kennen sich gut mit komischem Muster von Schlaf, aufwachen in den frühen Stunden der Nacht und das Gefühl, schläfrig in der Mitte des Tages, werden auch davon profitieren. So wird jemand, der fliegt und erlebt hat, jet-lag, eine lästige Erscheinung, die mit der Funktion unserer biologischen Uhr.

Neurobiologen fanden vor langer Zeit, dass der Schlaf ist, wenn wir konsolidieren unsere Erinnerungen an den vorhergehenden Tag—es ist, wie wir lernen und erinnern. Fast jeder Mensch in einem bestimmten Alter erleben altersbedingten Gedächtnisverlust. Aber es gibt super-agers, die zeichnen sich nicht nur durch Ihre erweiterte chronologische Alter, sondern auch durch Ihre super Speicher. Die Entdeckungen der master-Genen der circadianen Zyklus, pro und zeitlos, schon helfen zu entziffern, die diese Phänomene.

Eine weitere wichtige Erkenntnis im Zusammenhang mit der circadianen Rhythmik ist es beeinflusst die Wirkung von Drogen-Behandlungen. Es gibt viele Studien über die Behandlung von Krankheiten, von Krebs und Herz-Kreislauf-Allergien und arthritis, die zeigen, dass timing und Medikamente, um die innere Uhr könnte in Ihrer Wirkung zu verbessern und Nebenwirkungen zu minimieren. Der Bereich chronotherapy gewinnt an Dynamik als Ergebnis unserer tieferen Verständnis der biologischen Uhr.

Für alle, die jemals die Frage gestellt, warum Organisationen wie die National Institutes of Health fund esoterische Studien, wie etwa die Bestimmung der molekularen signalweges, der circadiane Rhythmus, der eine scheinbar unbedeutende Frucht Fliegen sollten, denken Sie wieder. Die Entdeckungen der diesjährigen Nobel-Preisträger haben eröffnet Ausblicke auf ungeahnte biologische und medizinische Kenntnisse und ebnet den Weg für die Entwicklung von Therapeutika, die als nützlich erweisen könnte für Milliarden von Menschen.

Es ist keine Frage: der diesjährige Nobelpreis ist wohlverdient.

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