الفائزون بجائزة نوبل يسلطون الضوء على الإيقاعات اليومية

وقال هول "الفائز الرئيسي الرابع هنا هو ... ذبابة صغيرة". الصورة عبر لين كيتشوم / فليكر.

بقلم كاري ل. بارتش ، جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز

تتحكم إيقاعات الساعة اليومية عندما نكون في أدائنا المرتفع جسديًا وعقليًا كل يوم ، مما يبقي حياتنا في الوقت المناسب مع دورة الأرض / الليل. مُنحت جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب لهذا العام لثلاثة علماء أمريكيين ، هم جيفري هول ومايكل روسباش من جامعة برانديز ومايكل يونغ من جامعة روكفلر ، لتسليط الضوء على كيفية قياس الوقت كل يوم في النظم البيولوجية ، بما في ذلك أجسامنا.

من عصافير داروين في جزر غالاباغوس إلى سكان المدن الحديثة ، تتكيف الكائنات مع بيئتها. أدت دورات منتظمة لمدة 24 ساعة من الليل والنهار على الأرض إلى تطور الساعات البيولوجية الموجودة داخل خلايانا. تساعدنا هذه الساعات في اختيار أفضل وقت للوعي أو البحث عن الطعام أو توقع الخطر أو الافتراس.

بدأ مجال البيولوجيا البيولوجية الحديثة في السبعينيات ، عندما أجرى عالم الوراثة سيمور بنزر وطالبه رون كونوبكا دراسة ثورية لتعقب الجينات التي تشفر التوقيت البيولوجي في ذباب الفاكهة. مع وجود هذا الجين في أعينهم ، بشرت مختبرات Hall و Rosbash و Young في العصر الجزيئي للبيولوجيا البيولوجية حيث كانت تشابك الآليات الجزيئية لحفظ الوقت البيولوجي.

كانت يرقات ذبابة الفاكهة موضوع المختبر لبحوث الساعة اليومية المبكرة. صورة عبر IrinaK / Shutterstock.com.

لماذا الذباب؟

للبدء ، أجرى Benzer و Konopka تجربة بسيطة: تتبع وقت ظهور ذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster من صندوقها. هذه العملية التنموية ، التي تسمى eclosion ، كانت بمثابة أداة قوية لدراسة العملية البيولوجية المعقدة لإيقاعات الساعة البيولوجية. نظرًا لأن ذبابة الدروسوفيلا لا تظهر إلا في وقت محدد من اليوم ، يمكن لكونوبكا أن تقيس التوقيت بين جولات التكلس لسلالات مختلفة من الذباب وتعرف تلك التي لديها ساعة سيئة. عن طريق عزل سلالات الذبابة مع مشاكل التوقيت ، كانوا يأملون أن يتمكنوا من التركيز على الجينات ذات الصلة التي تتحكم في هذه الساعة الداخلية.

في النهاية ، عثرت كونوبكا على ثلاث سلالات متحولة: واحدة لها فترة قصيرة لمدة 19 ساعة ؛ واحدة مع يوم طويل ، 28 ساعة ؛ واحد متحولة التي يبدو أنها لا تملك ساعة على الإطلاق. باستخدام الأدوات الوراثية ، كان قادرًا على إظهار أن كل من الطفرات المسؤولة تقع بشكل ملحوظ على نفس الصبغي ، مما يشير إلى أنها كانت جميعها موجودة داخل جين واحد ، والذي حددته Benzer و Konopka لفترة لتحكمها الواضح في توقيت الساعة.

ثم بدأ السباق ، وفي عام 1984 ، قام فريقان أخيرًا بتحديد فترة الجينات المزعومة هذه في الذباب: مختبرات جيفري هول ومايكل روسباش يعملان بتعاون وثيق في برانديز ، ومختبر مايكل يونغ في روكفلر.

مع وجود الجين في متناول اليد ، تهدف هذه المجموعات بعد ذلك إلى معرفة مدى ملاءمة الفترة لساعة بيولوجية. جاءت الفكرة الأولى عندما اكتشف جيفري هول ومايكل روسباش أن البروتين المشفر بواسطة هذا الجين (المسمى PER) زاد خلال الليل وانخفض خلال النهار ، مما يشير إلى أن مستويات البروتين قد تنقل معلومات الوقت إلى بقية الخلية بطريقة أو بأخرى.

الحلقات البيولوجية وأجهزة ضبط الوقت

إذا كنت تتخيل كيف يمكن للساعة البيولوجية تتبع الوقت بشكل أفضل خلال يوم واحد ، فقد تقفز إلى صورة ذهنية لجهاز ضبط الوقت في الساعة الرملية. الرمال تختفي تدريجيا مع مرور الوقت. عندما تختفي جميع الرمال ، قد يشير ذلك إلى العملية للبدء من جديد. هل كان PER هو المادة التي حافظت على الوقت البيولوجي عن طريق التغيير التدريجي طوال اليوم؟

جاءت إحدى الأفكار الرئيسية عندما استنتج هول وروسباش أن هذا البروتين PER قد يحول فعليًا عن نشاط الجين الحيض ، ويغلق نفسه كل يوم. عندما تتراكم مستويات PER على مدار الليل ، سيتم إنتاج بروتين PER جديد وأقل. في النهاية تنخفض مستويات البروتين وتبدأ العملية من جديد. وهذا ما يسمى حلقة ردود الفعل السلبية. إنه نفس النوع من التوازن البيولوجي الذي يحفظ كل شيء من مستويات السكر في الدم إلى إيقاعات الساعة البيولوجية الخاصة بك في جميع أنحاء الجسم.

يشبه هذا النوع من نظام التغذية المرتدة السلبية كيف يتحكم منظم الحرارة في درجة حرارة الغرفة. إذا انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون نقطة الضبط ، يقوم منظم الحرارة بتشغيل السخان. عندما تصبح الغرفة شديدة السخونة ، يقوم منظم الحرارة بإطفاء الفرن. هنا ، تعمل الملاحظات السلبية - تراكم الحرارة - على التحكم في السخان والحفاظ على درجة حرارة ثابتة.

الآن تخيل الحاجة إلى تكرار هذه العملية مرارًا وتكرارًا كل يوم مع التوقيت الدقيق تقريبًا. تستخدم الساعات البيولوجية ردود فعل سلبية من بروتينات الساعة مثل الفترة لتشغيلها وإيقافها مرة أخرى كل 24 ساعة. حددت دراسات إضافية في مختبر يونغ الجينات الرئيسية الأخرى - التي يطلق عليها اسم الخالدة والمزدوجة الوقت - والتي تنسجم مع هذا اللغز عن طريق التحكم في كيفية انتقال PER في جميع أنحاء الخلية لإيقاف نفسها كل يوم.

قطعة قطعة ، والبدء في فهم الآليات البيولوجية لدينا كلوكورو الساعات. الصورة عن طريق ويليام واربي.

تركيب التروس معا في الساعات الجزيئية

انتهى العمل خلال العقدين الأخيرين من فهم أعمق للإيقاعات اليومية لإظهار كيف أن معظم الكائنات الحية لديها ساعات تعتمد على حلقات التغذية المرتدة التي تشبه ذبابة الفاكهة . حدد مختبر Rosbash جزءًا من بروتين PER المعروف باسم مجالات PAS التي نجدها الآن في العديد من بروتينات الساعة من الفطريات والنباتات إلى البشر. تساعد مجالات PAS البروتينات على مدار الساعة ، مثل PER ، مع شركائها للتحكم في حلقة الملاحظات السلبية.

بمقارنة الاختلافات في هياكل مجالات PER PAS في ذبابة الفاكهة والجرذان ، بدأ العلماء الآن في معرفة كيفية توافق البروتين cogs في الساعة الجزيئية معًا لإخبار الوقت. إن فهم إيقاعات الساعة البيولوجية بدقة ذرية كهذه يتيح لنا شرح كيف أن الطفرات التي تم تحديدها حديثًا في PER تؤدي إلى تغييرات في توقيت الساعة وتفتح الباب أمام العلاجات التي يمكن أن تسخر قوة إيقاعات الساعة البيولوجية لتحسين صحة الإنسان.

العيش مع عقارب الساعة وإيقاعاتها الطبيعية

لدينا الآن تقدير أكبر للدور المركزي الذي تلعبه إيقاعات الساعة البيولوجية في تنسيق حياتنا مع يوم الأرض ، حيث تتحكم في كل شيء من عملية التمثيل الغذائي إلى توقيت النوم. حدد مختبر يونغز مؤخراً طفرة سائدة في جين الساعة البشرية ، الكريبتكروم 1 ، الذي يطيل الساعة الخلوية ويجعل من الصعب النوم قبل منتصف الليل. ويقدر أن هذا الجين الموروث "بومة الليل" شائع جدًا ، يوجد في قرابة واحد من أصل 75 منا.

فهم التنظيم القوي للبيولوجيا بواسطة إيقاعات الساعة البيولوجية بدأ يؤدي إلى تغييرات بعيدة المدى في السياسة. على سبيل المثال ، بدلاً من إجبار جداول النوم لدينا بشكل روتيني على اتخاذ إجراءات تتطلب أوقات استيقاظ في الصباح الباكر ، يظهر بعض الباحثين أن تعديل جداولنا الزمنية لتناسب إيقاعاتنا الطبيعية قد يؤتي ثماره في العمل والمدرسة. وينطبق هذا بشكل خاص على المراهقين ، الذين لديهم ميل "بومة الليل" الطبيعي - تأخير أوقات بدء المدرسة حتى ساعة واحدة فقط يمكن أن يحسن الأداء الأكاديمي بشكل ملحوظ.

لقد أصبح العلم الآن بعيدًا بما فيه الكفاية في فهمنا للساعات اليومية التي يعمل الباحثون على تحسين جداول العمل والنوم فيها مع أخذ علم الأحياء في الاعتبار. وكل هذه الابتكارات السياسية مبنية على أساس البحث الحائز على جائزة نوبل مع ذباب الفاكهة الصغير.

كاري ل. بارتش ، أستاذ مشارك للعلوم الفيزيائية والبيولوجية ، جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز

نشرت هذه المقالة في الأصل على The Conversation. قراءة المقال الأصلي.