Tudomány

Az órák, amelyek bennünk ketyegnek

Az idei orvostudományi Nobel-díjat három olyan kutató kapta, akik kulcsszerepet játszottak annak megfejtésében, hogyan működik molekuláris szinten a szervezet napi ritmusát irányító belső óra. Cikkünkben Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash és Michael Young eredményeinek történetét és jelentőségét vázoljuk fel.
Korábban a témában:

Bár a földi élet nagyon sokszínű és sokfajta környezethez alkalmazkodott, egy dolog majdnem minden képviselőjére igaz: leszámítva a legmélyebb tengerekben, a földmélyben és a sarkkörön élőket, minden élőlénynek igazodni kell bolygónk tengely körüli forgásához, és vele a nappal és az éjszaka váltakozásához. A legtöbb élőlény éppen ezért rendelkezik egy belső órával, amely segít biztosítani a szervezet optimális működését a nap folyamán változó fény- és hőmérsékleti viszonyok között.

Ezt a belsőleg generált napi ritmust cirkadián ritmusnak nevezik a szakértők. Az elmúlt évtizedek kutatásai során rengeteg érdekes tény derült ki ennek a belső órának a működésével kapcsolatban. Például az, hogy rendkívül ősi eredetű működésről van szó, amely az egysejtű baktériumoktól kezdve a növényeken és a gombákon át a legfejlettebb állatokig mindenféle szervezetben megvan.

És az is kiderült, hogy mindezen az élőlények generációról generációra át is örökítik saját cirkadián ritmusukat.

Mimózák a sötétben

Hogy a különböző fajok a napszakokhoz igazodva változtatják életműködéseiket és viselkedésüket, azt a források szerint először a növényeken figyelték meg elődeink. Ezek levelei és virágai ugyanis jól láthatóan alkalmazkodnak az aktuális fényviszonyokhoz.

Az első feljegyzett vonatkozó kísérletet Jean Jacques d’Ortous de Mairan francia csillagász hajtotta végre, aki miután megfigyelte, hogy a szemérmes mimóza nevű növény éjszakára összezárja leveleit, 1729-ben egy sötét szobában helyezett el egy palántát.

Legnagyobb meglepetésére a mimóza annak ellenére is kinyitotta leveleit reggelente, és összezárta ezeket esténként, hogy egyáltalán nem érte fény kívülről.

Ez azt sugallta, hogy a napi ritmus valamilyen módon belülről (is) ered.

Két évszázaddal később Erwing Bünning német növénybiológus egy kimográf nevű műszerrel rögzítette egy babpalánta leveleinek mozgásait természetes fényviszonyok és állandó megvilágítás mellett. Ő is megfigyelte, hogy a nappal és az éjszaka váltakozásához köthető mozgások a megvilágítás változásának hiányában is megtörténnek.

Továbbá Bünning keresztezési kísérletekkel azt is igazolta, hogy ez a ritmus átöröklődik a következő generációkra.

A meggyőző eredmények ellenére Bünning kísérletei után még több évtizedig vitatkoztak a kutatók azon, hogy az élőlények napi ritmusát valóban egy belső óra vezérli-e, vagy a megfigyelt működési és viselkedési változások csak a fényre, mint külső ingerre adott válaszreakciók.

Idővel aztán egyre több olyan rejtett működésre derült fény, amely a megfigyelt mozgásokon kívül szintén napi ritmust követ a különböző szervezetekben, és a tudományos közösség lassan elfogadta, hogy ezek valóban valamilyen belsőleg szabályozott időrendhez igazodnak.

Az ecetmuslica, amelynek 19 óráig tart egy nap

Az 1960-as évekre az égitestek mozgásához való alkalmazkodást lehetővé tevő ritmusokkal (napi, havi, évszakos, évi) foglalkozó kronobiológia elismert tudományággá nőtte ki magát. A terület művelői eddigre a különböző fajokra jellemző cirkadián ritmusok felderítésén túl lassan az ezek háttérben működő gének szerepét is elkezdték vizsgálni.

Ezek felderítésében az első fontos eredmények Seymour Benzer és Ronald Konopka, a Kaliforniai Műszaki Egyetem kutatóinak nevéhez kötődnek, akik különleges cirkadián ritmusú ecetmuslicákkal kísérleteztek.

A szakértők egy napi ritmussal nem rendelkező törzs, és két olyan törzs segítségével igyekeztek azonosítani a belső óra működését meghatározó gének helyét, amely nem 24 órás, hanem 19, illetve 28 órás ciklusokban változtatta aktivitását. A munka során kiderült, hogy a különleges ritmusok (illetve ezek hiánya) mindhárom esetben az X kromoszóma ugyanazon génjéhez köthetők.

Konopka a következő években tovább dolgozott az említett gén, az úgynevezett periódusgén minél pontosabb leírásán. A gén izolálására és szekvenálására ugyanakkor csak az 1980-as évek közepén került sor Jeffrey C. Hall és Michael Rosbash (Brandeis Egyetem), illetve Michael Young (Rockefeller Egyetem), a 2017-es orvosi Nobel-díj nyerteseinek jóvoltából.

Akik azonban nem elsősorban a gén bázissorendjének leírásáért kapták az elismerést, mivel mint kiderült, annak DNS-szekvenciája ugyanúgy nem árult el semmit a cirkadián ritmus tényleges működéséről, mint a gén helye vagy a génváltozatainak szerkezete.

Kölcsönható gének

A következő éveket ezért ennek felderítésének szentelték a kutatók, számos különböző elméletet fogalmazva meg és tesztelve azzal kapcsolatban, hogy a periódusgén által kódolt fehérje, a PER hogyan irányíthatja napi ritmust. A szakértők elődeikhez hasonlóan ecetmuslicákkal kísérleteztek.

Az első nagyobb áttörés akkor következett be, amikor Hall és Rosbash rájött, hogy rovarok agyi sejtjeiben a PER mennyisége egy 24 órás ciklus szerint változik, mégpedig úgy, hogy éjszaka van belőle a legtöbb a neuronokban.

Rövidesen kiderült, hogy a genetikai információt a PER génjétől a fehérjeszintézis helyére szállító hírvivő RNS (mRNS) mennyiségének változásait is hasonló ciklikus hullámzás jellemzi, amely azonban el van tolódva a fehérje ciklusához képest. Az mRNS-ből ugyanis érdekes módon kora este, több órával a PER fehérjék maximuma előtt van a legtöbb a sejtben.

Ebből és más megfigyelésekből született meg a cirkadián ritmus negatív autoregulációs modellje, amelynek lényege, hogy a PER fehérje visszahat az azt leíró gén kifejeződésére: ha sok van a proteinből a sejtben, a gén működése mérséklődik, arról kevesebb mRNS íródik át, és így kevesebb fehérje szintetizálódik.

A következő fontos előrelépés akkor következett be, amikor Young és kollégái ráakadtak egy második génre is, amely a cirkadián ritmust befolyásolhatja.

A kísérletekből kiderült, hogy az úgynevezett időtlen (timeless) génről átíródó mRNS mennyisége szintén egy 24 órás ciklus szerint változik, és a gén által kódolt fehérje, a TIM közvetlenül a PER-hez tud kötődni, szabályozva annak eloszlását és mennyiségét.

A kísérletekből tehát egy önmagát fenntartó és szabályozó cirkadián ritmus képe bontakozott ki, az azonban továbbra is rejtély volt, hogy a mi aktiválja be a PER és a TIM génjeit. Ez csak az úgynevezett óragének 1990-es évek végén történt felfedezésével nyert magyarázatot.

Ez utóbbiak kölcsönösen hatnak egymás működésére, és a PER és a TIM gének specifikus részeihez kapcsolódva szabályozzák azok átíródását. Később az is kiderült, hogy a TIM és a PER fehérjék negatívan szabályozzák az óragének aktivitását. Ezzel pedig be is zárult a cirkadián visszacsatolási kör.

Órák, órák mindenütt

A rendszer működését felvázoló jelenlegi modellekben persze számos más összetevő is szerepel a már említett három főszereplőn kívül, amelyek közösen gondoskodnak arról, hogy cirkadián ritmus tartósan fenn tudjon maradni. Az évek során az is világossá vált, hogy a rendszer hogyan képes átütemezni működését a környezetből érkező ingerek hatására, többek közt fényérzékeny fehérjék útján, amelyek nélkül sosem lennénk képesek alkalmazkodni egy új időzónához, vagy a folyamatosan változó hosszúságú nappalokhoz és éjszakákhoz.

A cirkadián óra ecetmuslicákban és más egyszerűbb állatokban azonosított összetevői ugyanis az emlősökben, és köztük bennünk, emberekben is megvannak, nagyon hasonló módon biztosítva szervezetünk 24 órás ritmusát, mint ahogy a rovarokban történik. Sőt: a napi ritmus szabályozása más szereplőkkel ugyan, de rendszerszinten nagyon hasonlóan működik a növényekben és a gombákban is.

De hogyan lesz ezekből a pici molekuláris folyamatokból az egész szervezetre kiterjedő cirkadián ritmus? Hogyan lesz egy sejtszintű folyamatból alvás és ébrenlét, reggeli, ebéd és vacsora? Az emlősökben a rendszer központi „órája” a hipotalamuszban kap helyet, amely közvetlen kapcsolatban áll a szemekkel, így a környezet fényviszonyaihoz tudja hangolni saját működését. Ez a központi óra aztán hormonok és a környéki idegrendszer útján szabályozza a test többi részének működését.

A legtöbb szerv ugyanakkor saját belső órával is rendelkezik, így ezek a központi órától „elvágva” is képesek egyfajta napi ritmus szerint működni. Az állatok cirkadián rendszere tehát nem egyetlen órához, hanem egy egész csomó időmérő eszköz együtteséhez hasonlít, amelyek folyamatosan igyekeznek befolyásolni és összehangolni egymás működését.

A szervekben helyet kapó órák járását ugyanis mind a hipotalamusz, mind a környezeti ingerek szabályozhatják (például hogy mikor eszünk, mikor mozgunk és milyen a külső hőmérséklet). Ezek aztán különböző hormonok és más molekulák révén képesek hatni a központi óra működésére is.

Órásmester kerestetik

Ez a bonyolult rendszer vezérli alvási szokásainkat, étkezéseink gyakoriságát, valamint anyagcserénk, hormonháztartásunk, vérnyomásunk és testhőmérsékletünk napi szintű változásait is. És mivel ez a bonyolult órarendszer gyakorlatilag mindennel összeköttetésben áll, nem megfelelő működése komoly problémákat okozhat.

A rendszeres alvás például feltétlenül szükséges ahhoz, hogy az idegrendszer megfelelően működjön, és már több különböző alvászavarról kiderült, hogy előfordulásuk összeköttetésben áll a cirkadián ritmus zavaraival.

Ezek a zavarok a kevés alvásból adódó gondolkodásbeli és emlékképzési problémákon túl a depresszió, a bipoláris zavar és más neurológiai kórképek kialakulásában is szerepet játszhatnak.

Ha szervezetünk belső órája (pontosabban órái) nagyon másként ketyegnek, mint amilyen ritmusban az életünket próbáljuk élni, az a vizsgálatok szerint egy sor betegség kialakulásának valószínűségét növeli a ráktól kezdve a különféle anyagcserezavarokig.

Ha tehát a szakértők bele tudnának nyúlni a cirkadián ritmusba, és úgy tudnák azt áthangolni, hogy működése megfelelőbb legyen, egy sor egészségügyi probléma válhatna megelőzhetővé. Arról nem is beszélve, hogy mennyire jó lenne, ha hosszabb repülőutak után egyetlen tablettával vagy más kezeléssel át tudnánk hangolni belső ritmusunkat, örökre megszabadulva a jetlagtől.

(Forrás: Nobelprize.org)

Ajánlott videó mutasd mind

Ha kommentelni, beszélgetni, vitatkozni szeretnél, vagy csak megosztanád a véleményedet másokkal, a 24.hu Facebook-oldalán teheted meg. Ha bővebben olvasnál az okokról, itt találsz válaszokat.

A cikkhez ide kattintva szólhatsz hozzá.
Nézd meg a legfrissebb cikkeinket a címlapon!
24-logo

Engedélyezi, hogy a 24.hu értesítéseket
küldjön Önnek a kiemelt hírekről?
Az értesítések bármikor kikapcsolhatók
a böngésző beállításaiban.