24.6 : Circadian Rhythms and Gene Regulation

השעון הביולוגי מעורב בהיבטים רבים של ויסות פיזיולוגיה מורכבת בכל בעלי החיים. זה היה בשנת 1935 כאשר זואולוגים גרמנים, הנס קלמוס וארווין בונינג, גילו את קיומו של שעון ביולוגי ב Drosophila melanogaster. עם זאת, המנגנונים המולקולריים הפנימיים מאחורי השעון הצירקדי נותרו בגדר תעלומה עד 1984, כאשר ג'פרי סי הול, מייקל רוזבאש ומייקל ו' יאנג גילו את ביטוי הגן פר המתנדנד על פני מחזור של 24 שעות. בשנים שלאחר מכן זוהו גנים קשורים רבים אחרים, ומנגנון הבקרה של המקצבים הצירקדיים נפרם עוד יותר. תרומתם של ג'פרי סי הול, מייקל רוזבאש ומייקל ו' יאנג להבנת השעונים הביולוגיים הפנימיים הוכרה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה בשנת 2017.

המנגנון המולקולרי של המקצבים הצירקדיים

בדרוזופילה, חלבון התקופה (PER) הוא חלבון הבקרה העיקרי השולט בשעון הביולוגי הפנימי בתאים. PER יוצר קומפלקס עם חלבון חיוני נוסף שנקרא Timeless (TIM) ונכנס לגרעין. כאן, הוא יכול לווסת את רמות ביטוי PER בתא באמצעות עיכוב משוב. בנוסף, הוא גם שולט בביטוי של גנים אחרים על ידי עיכוב הפעילות של מפעילי השעתוק שעון ומחזור. חשוב לציין, יציבותו של קומפלקס PER/TIM תלויה בנוכחות או היעדר אור, כלומר הוא מתפרק בתנאי יום. התוצאה היא שביטוי הגנים במורד הזרם של קומפלקס PER/TIM נשלט על ידי אור, ותופעה זו מאפשרת סנכרון של השעון הצירקדי.

אצל יונקים, ויסות השעון הביולוגי פועל באופן דומה מאוד. עם זאת, בשל תוספת של כמה גנים paralog, הרגולציה של המסלול כולו הוא הרבה יותר מסובך מאשר Drosophila.

משמעות המקצבים הצירקדיים

כל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ התפתחו בנוכחות מחזורי יום/לילה של 24 שעות ביממה והתאימו את תגובותיהם התאיות, הפיזיולוגיות וההתנהגותיות בהתאם. לדוגמה, המחזורים היומיים של שינה וערות, טמפרטורת הגוף ושחרור הורמונים ביונקים נשלטים על ידי המקצבים הצירקדיים. שעון ביולוגי לא סדיר עלול להוביל לבעיות בריאותיות רבות, כגון הפרעה דו קוטבית או הפרעות שינה. בנוסף, הפרעה בשעון הביולוגי עלולה לגרום להשפעות שליליות על מערכות אחרות בגוף, כולל מערכת הלב וכלי הדם.