Яна Хлюстова - Шнобелевская премия. Самые нелепые изобретения и не только

Циркадные ритмы есть практически у всех живых организмов: сине-зеленых водорослей (цианобактерий), грибов, растений и животных. А в мозге человека ученым удалось обнаружить нейроны, активность которых напрямую зависит от длины светового дня — это значит, организм способен «чувствовать» смену времен года.

Можно ли «перевести» циркадные ритмы, чтобы последствия перелета из Москвы во Владивосток проходили быстро и безболезненно? Ученые исследуют этот вопрос (и сами суточные колебания активности организма) не один десяток лет. В 2007 году Шнобелевской премией в номинации «Авиация» были награждены аргентинцы Патрисия Агостино, Сантьяго Плано и Диего Голомбек. Они установили: хомячки быстрее восстанавливаются от джетлага, если им давать вещество под названием силденафил, известный под торговым названием «Виагра». Изначально силденафил синтезировали как препарат для улучшения кровотока в миокарде и лечения стенокардии и ишемической болезни сердца. Однако в ходе клинических испытаний было выявлено: влияние силденафила на сердечный кровоток минимально, зато он обладает выраженным действием на кровоток в области органов малого таза.

Но вернемся к хомячкам. Все животные были выращены при искусственном освещении: световой день длился 14 часов, а ночь — 10. Затем хомяков рассадили по отдельным клеткам, в каждой из которых было колесо для бега (чтобы лучше фиксировать часы активности грызуна). После 10-дневного пребывания в клетках и привыкания к беговым колесам хомякам устроили шестичасовой «сдвиг часовых поясов», который длился несколько недель: режим освещения клеток изменился так, как изменился бы суточный ритм человека при перелете из Нью-Йорка в Париж (то есть с запада на восток, с переводом часов вперед). При этом одна группа подопытных в день «перевода часов» получила порцию «Виагры», а вторая — нет. Ученые установили, что силденафил в дозировке 10 микрограмм на килограмм тела помог хомячкам на 50 % быстрее восстановить сбитые циркадные ритмы. Меньшие дозировки «Виагры» работали хуже, но все равно немного ускоряли переход к нормальной работе организма.

Диего Голомбек полагает, что силденафил помог хомячкам справиться с джетлагом, потому что в организме увеличилось содержание молекулы под названием циклический гуанозинмонофосфат (cGMP). По мнению ученого, это на какое-то время ускорило биологические часы животных. Этим же объясняется и тот факт, что «Виагра» не помогла грызунам справиться с джетлагом при имитации перелета с востока на запад: благодаря лекарству ускорившиеся циркадные ритмы «нагнали» разницу во времени, но вот перевести биологические часы назад препарат не может.

Хотя авторы работы и рассматривали силденафил как вероятное лекарство от джетлага для людей, соответствующие исследования никогда не проводились. Правда, в 2013 году Skyscanner — система для поиска авиабилетов — провела опрос среди своих пользователей. В анкетировании приняли участие около тысячи пассажиров сингапурских авиалиний — 11 % из них сообщили, что пробовали принимать «Виагру» как средство от джетлага, а 5 % заявили, что препарат действительно помог справиться со сменой часовых поясов. Это, однако, ни в коем случае не свидетельствует об эффективности силденафила, и ученые рекомендуют принимать синюю таблетку от джетлага лишь при соблюдении двух условий: вы хомяк, и вы летите с запада на восток.

Несмотря на эти неутешительные новости, давайте все же разберемся: существуют ли эффективные методы борьбы с джетлагом? А заодно и выясним, как именно наш организм регулирует биологические часы.

На первый вопрос в 2017 году довольно однозначно ответил Майкл Росбаш, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине того года: «Нет никакой терапии или лекарства, которые по-настоящему помогали бы “перезагрузить” циркадные ритмы. Есть, конечно, препараты, которые рекомендуется принимать при джетлаге, но одним людям они помогают, другим — нет, так что я не могу сказать, что они эффективны. Лучшее, что можно сделать при джетлаге, — это спать». Его поддержал и Джеффри Холл, разделивший с Росбашем награду: «Мы не умеем “перезагружать” наши биологические часы. Циркадные ритмы человека приблизительно равны не 24 часам, а 24 часам 15 минутам. На эти 15 минут наш организм ежедневно перезагружает циркадные ритмы, — но не больше. Мы не можем справляться с разницей во времени между часовыми поясами. И неизвестно, как именно работает механизм “перезагрузки”».

Считается, что для привыкания к новому часовому поясу человеку нужно столько же дней, сколько часовых зон он пересек: семичасовая разница во времени потребует недели на восстановление. При этом перелеты с запада на восток переносятся хуже, чем с востока на запад.

Майкл Росбаш, Джеффри Холл и третий лауреат Майкл Янг удостоились Нобелевской премии 2017 года за «открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадным ритмом» — теми самыми биологическими часами. Однако первый кусочек генетического механизма циркадных ритмов обнаружили не они. Это в 1960–1970-х годах сделали Сеймур Бензер и Рональд Конопка, создавшие мутантных мушек-дрозофил с измененными циркадными ритмами: у одних — 28 часов, у других — 19 часов, а у третьих ритм вообще отсутствовал. У всех насекомых был поломан один и тот же ген — это значит, что в неизмененном состоянии он отвечал за поддержание нормального, 24-часового, суточного ритма. Ученые назвали ген per , — от слова “period”, «период». Следующий же шаг в изучении биологических часов сделали Росбаш, Холл и Янг.

Гены содержат в себе множество разной информации, в том числе и о строении белков. Для простоты можно сказать, что в генах записан «рецепт» их изготовления (то есть гены кодируют белки). Джеффри Холл и Майкл Росбаш исследовали отношения гена per с его белком PER и выяснили: ночью уровень белка достигает максимальной концентрации, после чего он блокирует работу собственного гена, прекращает синтез, а затем распадается в течение дня. Но чтобы «выключить» ген, белку надо проникнуть в ядро клетки — ведь именно там хранится генетический материал. Холл и Росбаш сумели показать, что ночью белок накапливается в ядре, но не смогли понять, как он туда попадает. Это сделал Майкл Янг — в 1994 году он открыл второй ген биологических часов под названием timeless (в переводе с английского — «безвременный»). В лаборатории Янга выяснили: цикл работы этого гена тоже равен 24 часам, а кодирует он белок TIM, который напрямую связывается с PER, помогает ему проникнуть в ядро и не дает разрушаться.

Этот механизм обратной связи и объясняет, как именно регулируются суточные колебания активности нашего организма. Конечно, есть множество других инструментов, которые вовлечены в работу биологических часов. Например, ген doubletime , также открытый Янгом, задерживает накапливание белка PER и отлаживает циркадные ритмы, чтобы они совпадали с естественным циклом смены дня и ночи; ген cry , который под воздействием света разрушает белок TIM, после чего разрушается и оставшийся без «напарника» PER, и многие другие. Эти открытия совершили переворот в понимании ключевых механизмов биологических часов человека.