جائزة نوبل في الطب لهذا اليوم تذهب لثلاث علماء عن إكتشافهم للآليات الجزيئية المسيطرة على إيقاع الساعة البيولوجية

 

الخلاصة
دوران كوكب الارض يؤثر على الأحياء عليه حيث تتكيف مع هذا الدوران.
لعددٍ من السنين كانت الابحاث تشير الى ان الكائنات الحية وبضمنها الانسان تمتلك ساعة بايولوجية (احيائية) داخلية، وهذه الساعة تساعد الكائن الحي على التكيف والتلائم مع نمط الحياة اليومي، لكن كيف يحدث ذلك؟ قام كل من جيرفي هول (Jeffrey C. Hall) ومايكل روسباش (Michael Rosbash) ومايكل يونغ (Michael W. Young) بدراسة ساعتنا البايولوجية واستطاعوا ان يفسروا لنا طريقة عملها، حيث ان ابحاثهم شرحت لنا كيف للنباتات والحيوانات والبشر ان يوالموا نمط حياتهم مع دوران الكرة الارضية.
عند دراسة ذبابة الفاكهة كمثال للكائنات الحية، الحاصلون على جائزة نوبل لهذه السنة قاموا بفصل الجين (المورث) الذي يتحكم بنمط حياتنا اليومية، حيث يقوم بتشفير بروتين، اثناء الليل يتراكم هذا البروتين في الخلية ويتحطم خلال النهار بعد ذلك، وقد عرفوا فيما بعد عن مكونات اضافية لهذا البروتين حيث تشرح هذه المكونات آلية التحكم بعملية الاكتفاء الذاتي وتصورها داخل الخلية.
والآن توصلنا الى أسس عمل الساعة البايلوجية في حشرة ذبابة الفاكهة وهي نفس الاسس التي تعمل بها الساعة البايلوجية في الكائنات متعددة الخلايا وبضمنها الانسان.
بدقة رائعة، ساعتنا الداخلية تجعل من حالتنا الفيزيولوجية متوالمة مع الاوقات المختلفة من اليوم، حيث تنظم هذه الساعة الوظائف الماسة للجسم كالسلوك، ومستويات الهرمون، والنوم، ودرجة الحرارة والتمثيل الغذائي.
يتأثر حسن الحالة للانسان عند حدوث انعدام توافق مؤقت بين البيئة الخارجية للانسان وبين ساعته البايولوجية.
على سبيل المثال، عند السفر عبر عدة مناطق ذات توقيت زمني مختلف سيحدث اضطراب مزمن بين طبيعة الحياة والنمط المرسوم من قبل الساعة البايلوجية وهذا يزيد من احتمالية الاصابة بامراض مختلفة.

ساعتنا البيولوجية الداخلية
معظم الكائنات الحية تتحدد وتتكيف للتغييرات اليومية في البيئة، في اثناء القرن الثامن عشر، عالم الفلك جين جاك دي اورتوس دي مايران (Jean Jacques d’Ortous de Mairan) درس نبات الميموسا (mimosa plants)، فوجد ان الاوراق مفتوحة بأتجاه الشمس أثناء النهار و مغلقة عند الغسق، تسائل عن ما قد يحدث اذا وضع النبات في ظلام ثابت، فوجد ان النبات استمر بمتابعة تقلبه اليومي الاعتيادي بطريقة مستقلة عن ضوء الشمس اليومي، وكما في (الشكل 1)، النباتات تُظهِر ان لها ساعتها البيولوجية الخاصة.
وجد الباحثون الآخرون ان النباتات ليست الوحيدة، ولكن الحيوانات والبشر كذلك لديهم ساعتهم البيولوجية التي تساعد على إعداد فسلجتنا من اجل التقلبات اليومية، هذا التكيف المنتظم يُشار إليه بإيقاع الساعة البيولوجية (circadian rhythm) ومنشؤها من الكلمات اللاتينية (circa) والتي تعني “حول” و (dies) والتي تعني “اليوم” ولكن كيف تعمل ساعتنا البيولوجية الداخلية هو الامر الوحيد الذي بقي غامضاً.

شكل 1. الساعة البيولوجية الداخلية. أوراق نبات الميموسا مفتوحة بأتجاه الشمس خلال اليوم ولكن مغلقة عند الغسق (الجزء العلوي)، جين جاك دي اورتوس دي مايران وضع النبات في ظلام ثابت (الجزء السفلي) ووجد ان الاوراق استمرت في متابعة إيقاعها الاعتيادي اليومي، وحتى مع إنعدام أي تقلبات في الضوء اليومي.

تحديد الجين المسؤول عن الساعة البيولوجية

خلال السبعينيات، تسائل سيمور بنزر (Seymour Benzer)  وطالبه رونالد كونوبكا (Ronald Konopka) ما إذا كان من الممكن تحديد الجينات التي تتحكم في إيقاع الساعة البيولوجية في ذباب الفاكهة. وأظهروا أن الطفرات في جين غير معلوم تعطل الساعة البايوليجية للذباب. وقد سموا هذا الجين بـ”الفترة” (period). ولكن كيف يمكن لهذا الجين أن يؤثر على إيقاع الساعة البيولوجية؟

وكان الفائزون بجائزة نوبل لهذا العام، والذين كانوا أيضًا يدرسون ذباب الفاكهة، يهدفون إلى اكتشاف كيفية عمل هذه الساعة. في عام 1984، نجح كلٌ من جيفري هول (Jeffrey Hall ) ومايكل روزباش (Michael Rosbash)، الذينِ كانا يعملان بتعاونٍ وثيقٍ في جامعة برانديس ((Brandeis University في بوسطن، ومايكل يونغ (Michael Young) في جامعة روكفلر (Rockefeller University) في نيويورك، في عزل الجينة الزمنية. ثم إستمر جيفري هول ومايكل روزباش في أبحاثهم ليكتشفوا أن PER، وهو إختصار لـ “البروتين المشفر بواسطة الجين المسمى “الفترة”” (the protein encoded by period)، قد تراكمت خلال الليل، وتدهورت خلال النهار. وهكذا، ولهذا فإن مستوى بروتينات PER تتأرجح على مدار 24 ساعة، في تزامن مع إيقاع الساعة البيولوجية.

آلية التنظيم الذاتي لعمل الوقت
الهدف الرئيسي التالي هو لفهم كيف لمثل هذه التقلبات البيولوجية أن تولد وتستمر، جيفيري هول (Jeffrey Hall) ومايكل روسباش (Michael Rosbash) إفترضا إن بروتين الـ(PER) إعترض طريق نشاط جين الـ(Period)، اعطيا سبب لذلك بواسطة حلقة ردود الفعل المثبطة، بروتين الـ(PER) قد يمنع توليفها الخاص وبالتالي ينظم مرحلته الخاصة في الايقاع الدوري المستمر كما في (الشكل 2A).

شكل 2A، توضيح مبسط عن لائحة ردود الافعال لجين Period:
الشكل يظهر تسلسل الأحداث في اثناء تقلبات الـ24 ساعة، عندما يتنشط جين Period، الحامض النووي الرابيوزي المرسل لـPeriod يتم تصنيعه، ثم الحامض النووي الرايبوزي يتم نقله لسايتوبلازم الخلية ويعمل كقالب لانتاج بروتين PER، بروتين PER يتراكم في نواة الخلية عندما يعترض طريق جين Period، هذا يعطي إثارة لآلية ردود الفعل المثبطة التي تكمن وراء ايقاع الساعة البيولوجية.
كان النموذج محير ولكن عددًا قليلًا من قطع الأحجية كانت مفقودة، لتعترض طريق نشاط جين Period، بروتين PER والذي ينتج في السايتوبلازم، يجب أن يصل لنواة الخلية، وفي موقع المادة الوراثية، قام كلٌ من جيفيري هول ومايكل روسباش بأظهار ان بروتين PER يتراكم في النواة اثناء الليل، ولكن كيف وصل لهنالك؟ في عام 1994 مايكل يونك (Michael Young) إكتشف جين ثاني مسؤول عن الساعة البايولوجية، تم تسمية هذا الجين “أبدي” (timeless) وهو يقوم بتشفير بروتين TIM والذي يكون مطلوبًا من اجل إيقاع الساعة البيولوجية العادية. في عملٍ رائع، قام بأظهار انه عندما يتقيد بروتين TIM ببروتين PER، كلا البروتينين كانا قادرين على دخول نواة الخلية عندما اعترضا طريق نشاط جين Period لغلق حلقة ردود الفعل المثبطة كما في (الشكل 2B).

شكل 2B، توضيح مبسط لمكونات جزيء الساعة اليومية.
آلية ردود افعال تنظيمية كهذه شرحت كيفية ظهرت هذه التقلبات في مستويات البروتين الخلوي، ولكن الاسئلة تباطأت، ما الذي يتحكم بتكرار التقلبات؟ مايكل يونك قام أيضًا بتعريف جين آخر، الوقت المضاعف (Doubletime)، والذي يقوم بتشفير بروتين DBT والذي أبطأ التراكم لبروتين PER، وهذا قدم نظرة ثاقبة عن كيف إن التعاقبات قد عُدِلت لتتطابق أكثر مع دورة الـ24 ساعة.
اكتشافات النموذج المحول من قبل الفائزين أسسَ مبادئ ميكانيكية رئيسية للساعة البيولوجية، اثناء السنوات السابقة مكونات الجزيئات الاخرى لآلية عمل الساعة قد شُرِحت، موضحة استقراريتها ووظيفتها، مثلاً، فائزوا هذه السنة قاموا بتعريف بروتينات إضافية مطلوبة من أجل نشاط جين Period، إضافة للآلية التي تمكن الضوء من التحكم بتزامن الساعة البيولوجية.

الحفاظ على الوقت حسب فسلجتنا البشرية

 وتشارك الساعة البيولوجية في العديد من جوانب الفسلجة المعقدة لدينا. ونحن نعلم الآن أن جميع الكائنات متعددة الخلايا، بما في ذلك البشر، تستخدم آلية مماثلة للسيطرة على إيقاعات الساعة البيولوجية. وتُنظَم نسبة كبيرة من جيناتنا من خلال الساعة البيولوجية، وبالتالي، فإن إيقاع الساعة البيولوجية المحدد بدقة يجعل فسلجتنا مهيئة لمراحل مختلفة من اليوم (الشكل 3). منذ الاكتشافات الأصلية لهؤلاء الثلاثة الحائزين على الجائزة،  تطور علم الأحياء المرتبط بالساعة البايولوجية إلى حقل بحثي واسع وديناميكي للغاية، مع آثاره على صحتنا ورفاهيتنا.

الشكل (3) توقيت الساعة البيولوجية يحدد تقريبيًا ويكيف فسلجتنا إلى المراحل المختلفة من اليوم. ساعتنا البيولوجية تساعد على تنظيم أنماط النوم، وسلوك التغذية، وإفراز الهرمونات، وضغط الدم، ودرجة حرارة الجسم.

معلومات عن العلماء الفائزين:

جيفري هول (Jeffrey C. Hall): ولد في عام 1945 في نيويورك، في الولايات المتحدة الأمريكية. حصل على درجة الدكتوراه في عام 1971 من جامعة واشنطن في سياتل (Seattle) وكان مشاركًا فيما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا (Pasadena) من 1971 إلى 1973. إلتحق بكلية برانديس (Brandeis) في والثام (Waltham) في عام 1974. في عام 2002، أصبح مرتبطًا بجامعة مين ((University of Maine.

مايكل روزباش (Michael Rosbash): ولد في عام 1944 في مدينة كانساس، في الولايات المتحدة الأمريكية. حصل على درجة الدكتوراه في عام 1970 في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج (MIT). خلال السنوات الثلاث التالية، كان مشاركًا فيما بعد الدكتوراه في جامعة ادنبره في اسكتلندا. ومنذ عام 1974، أصبح عضوًا في هيئة التدريس في جامعة برانديس في والثام، في الولايات المتحدة الأمريكية.

مايكل يونغ (Michael W. Young): ولد في عام 1949 في ميامي، في الولايات المتحدة الأمريكية. حصل على درجة الدكتوراه في جامعة تكساس في أوستن في عام 1975. بين 1975 و 1977، كان مشاركًا فيما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد في بالو ألتو. ومنذ عام 1978، أصبح عضوًا في هيئة التدريس في جامعة روكفلر في نيويورك.