诺贝尔赢家在昼夜节律上闪光

三位美国科学家分享2017年诺贝尔生理学或医学奖,以解释我们的细胞如何跟踪时间。

“这是关键的第四届奖励者......小苍蝇,大厅说。图像Via Lynn Ketchum / Flickr .

经过 Carrie L. Partch. , 加州大学圣克鲁斯

昼夜节奏控制每天在身体和精神上的高峰表现时,我们的生活时间与地球的一天/夜周期旋转。今年的诺贝尔生理学或医学奖是 授予三名美国科学家,杰弗里霍尔和迈克尔·罗斯巴什和洛克菲勒大学的迈克尔·杨,用于脱落在生物系统中的每天如何测量时间,包括我们自己的身体。

从达尔文的雀科群岛到现代城市居民,有机体适应他们的环境。地球上的日夜定期24小时循环导致居住在我们的细胞内的生物钟表的演变。这些直播吧有助于我们无意识地选择休息的最佳时间,寻找食物,或预测危险或捕食。

当遗传学家Seymour Benzer和他的学生Ron Konopka进行了革命性的研究时,现代昼夜学院生物学领域得到了它在20世纪70年代开始追踪果蝇编码生物正时的基因。随着这个基因在他们的景点中,大厅,罗斯巴什和年轻人的实验室迎来了昼夜节律生物学的分子时代,因为它们未解释生物计时的分子机制。

果蝇 幼虫是早期昼夜节日研究的实验室主题。图像Via irinak / shutterstock.com. .

为什么苍蝇?

要开始,Benzer和Konopka进行了一个简单的实验:追踪果蝇时 果蝇黑胶基 将从蛹案中出现。这种被称为Eclosion的发展过程曾作为研究昼夜节律的复杂生物过程的强大工具。因为 果蝇 Pupae只在当天的特定时间出现,Konopka可以测量不同菌株的燃料之间的时序,并识别那些钟表的那些。通过将飞行菌株与定时问题隔离,他们希望能够在控制这种内部直播吧的相关基因上零。

最后,Konopka发现了三种突变体菌株:一个短,19小时的一天;一个长,28小时的一天;一个似乎没有直播吧的一个突变体。使用遗传工具,他能够表明每个负责突变在相同的染色体上显着依赖于相同的染色体,这表明它们都位于单个基因内, 哪个benzer和konopka命名 时期 对于对直播吧定时的明显控制。

然后比赛在1984年,两支球队最终确定了这种所谓的直播吧基因 时期 苍蝇:实验室 Jeffrey Hall和Michael Rosbash 在Brandeis紧密合作工作, 和迈克尔杨的 lab at Rockefeller.

随着基因在手中,这些群体旨在弄清楚如何 时期 适合生物钟。当Jeffrey Hall和Michael Rosbash发现这一点时,第一个线索来了 由该基因编码的蛋白质(称为per) 在夜间增加并在白天下降,表明蛋白质的水平可能以某种方式向剩下的细胞传达时间信息。

生物循环和定时器

如果你想象一下,生物钟如何最好地追踪一天时间,你可能会跳到沙漏计时器的心理照片。沙子随着时间的推移逐渐消失;当所有的沙子都消失时,它可能会发出到重新开始的过程。通过整天逐渐变化的药物是每种物质吗?

大厅和rosbash推出每个蛋白质可能实际上阻碍了这种活动的一个关键洞察力 时期 基因, 每天都会关闭自己。随着在夜间的过程中,每种蛋白质的每种蛋白质的平均水平也会进行。最终蛋白质水平下降,该过程再次开始。这称为负反馈循环。它是相同类型的生物平衡行为,使您的血糖水平从血糖水平整合到您的身体上。

这种负反馈系统类似于恒温器如何控制房间的温度。如果温度下降到设定点以下,则恒温器会打开加热器。当房间太大时,恒温器关闭炉子。这里,负反馈 - 热量的积累 - 用于控制加热器并保持恒定温度。

现在想象一下,必须在每天多次重复这个过程,几乎有几乎精确的时间。生物钟使用直播吧蛋白质的负反馈 时期 每24小时再次又一次送走。年轻实验室的其他研究确定了其他关键基因 - 配音 永恒 双倍时间 - 通过控制每天围绕细胞围绕每个行进来赋予该难题来拟合这个难题。

逐片断,开始了解我们的生活钟表的生物机制。图像Via 威廉华比 .

将齿轮装入分子钟表中

过去二十年的工作已经完善了对昼夜节律的更深入了解,以展示大多数生物如何基于类似于的反馈循环直播吧 果蝇 。 Rosbash的实验室确定了每种蛋白质的一部分 被称为PAS域 我们现在发现许多从真菌和植物到人类的钟表蛋白。 PAS域帮助钟表蛋白质 与他们的合作伙伴配对 控制负反馈循环。

经过 比较结构的差异 每个PAS域 果蝇 和老鼠现在开始了解分子直播吧的蛋白质“齿轮”如何合适地说明时间。了解原子分辨率的昼夜节律使我们能够解释每种新识别的突变 导致直播吧计时的变化 并打开能够利用昼夜节律的力量来改善人类健康的疗养的门。

与您的直播吧及其天然节奏一起生活

我们现在对昼夜节的核心节奏在与地球日协调的核心作用,控制着一切 从你的新陈代谢到睡眠时机。年轻的实验室最近发现了人类直播吧基因中的普遍突变, 加密1 ,这延长了蜂窝直播吧并使午夜前难以睡觉。这 继承了“夜猫子”基因 估计很常见,在我们75人中有近1个。

了解昼夜节律的强大规定,开始导致政策的变化深远。例如,而不是任意迫使我们的睡眠时间表进入需要清晨唤醒时间的例程,而一些研究人员展示了调整我们的日程安排,以适应我们的自然节奏可能会在工作和学校偿还。这对青少年来说尤其如此 一个自然的“夜猫子”倾向延迟学校开始时代 甚至只能明显一小时 改善学术表现.

 谈话 现在,科学现在的了解,我们对研究人员正在努力的昼夜节目 优化工作和睡眠时间表 考虑到我们的生物学。所有这些政策创新都是建立在诺贝尔奖获胜的研究的基础上,与那些微小的果蝇。

Carrie L. Partch. ,物理副教授&生物科学, 加州大学圣克鲁斯

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