W

alczysz z sennoÊcià o siódmej wieczorem, a obudzony o trze-
ciej po po∏udniu, nie masz apetytu, gdy nadchodzi pora kola-
cji. Budzisz si´ o czwartej rano i nie mo˝esz zasnàç ponownie.

Takie dolegliwoÊci sà udzia∏em wielu osób, które przylecia∏y do Kalifor-
nii ze wschodniego wybrze˝a Stanów Zjednoczonych, a spowodowane
sà tym, ˝e znalaz∏y si´ w innej strefie czasowej, ró˝niàcej si´ od poprzed-
niej o 3 godz. Podczas tygodniowej podró˝y s∏u˝bowej czy urlopu, zanim
twój organizm zdà˝y przystosowaç si´ do nowych warunków, nadcho-
dzi czas powrotu do domu i musisz ponownie przyzwyczajaç si´ do po-
przedniego rytmu dobowego.

Niemal ka˝dego dnia wraz z kolegami poddaj´ grup´ wywil˝n (Dro-

sophila), zwanych równie˝ muszkami owocowymi*, przesuni´ciu czasu
(jet lag), symulujàc podró˝ z Nowego Jorku do San Francisco lub na od-
wrót. Mamy w laboratorium par´ termostatów wielkoÊci lodówki, ozna-
czonych w∏aÊnie jako „Nowy Jork” lub „San Francisco”. Âwiat∏o zapala
si´ w nich o szóstej i gaÊnie o osiemnastej czasu lokalnego tych miast
(przyj´te przez nas dla celów doÊwiadczalnych umowne pory wschodu
i zachodu s∏oƒca). Temperatura w termostatach jest sta∏a i wynosi 25°C.

Muszki odbywajà symulowanà podró˝ w ma∏ych szklanych rurkach

umieszczonych na specjalnych tacach, a ich ruchy monitorowane sà za po-
mocà wàskiej wiàzki podczerwieni. Przecinajàc jà, owad za ka˝dym ra-
zem rzuca cieƒ na umieszczony w tacy fototranzystor. Po∏àczony jest on
z komputerem rejestrujàcym aktywnoÊç mieszkaƒca rurki. W rzeczywi-
stoÊci nasze muszki nie odbywajà przecie˝ pi´ciogodzinnego lotu z No-
wego Jorku do San Francisco – po prostu przenosimy je z jednego ter-
mostatu do drugiego.

42 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000

Tykanie

zegara biologicznego

Ka˝dy z nas ma wrodzony,

niezawodny chronometr

odmierzajàcy czas zgodnie

z rytmem dni i nocy

Michael W. Young

SAN
FRANCISCO

PETER MURPHY

CYNTHIA TURNER

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000 43

BADANIE WP¸YWU PRZESUNI¢CIA CZASU NA MUSZKI OWOCOWE pomaga naukowcom, takim jak autor tego arty-
ku∏u

(powy˝ej), zrozumieç molekularne podstawy dzia∏ania zegarów biologicznych wielu organizmów, w tym cz∏owieka.

Te malutkie owady sà trzymane w szklanych rurkach

(zdj´cie z lewej) umieszczonych na tackach wyposa˝onych w czujniki,

które rejestrujà aktywnoÊç muszek. Kiedy tacka z „nowojorskiego” termostatu, w którym o 19.30 panuje noc, zostanie prze-
niesiona do termostatu z wczeÊniejszym o trzy godziny czasem San Francisco, gdzie nadal jest dzieƒ, obni˝a si´ st´˝enie
kluczowego dla dzia∏ania czasomierza bia∏ka w mózgu tych owadów.

NOWY

JORK

PETER MURPHY

Robimy to w celu identyfikacji i zba-

dania funkcji kilku genów – najwa˝niej-
szych, jak si´ wydaje, trybów i kó∏ek ze-
gara biologicznego, który zawiaduje
dzienno-nocnymi cyklami wielu orga-
nizmów (nie tylko muszek owocowych,
ale tak˝e myszy i ludzi). Poznanie tych
genów pozwoli nam okreÊliç kodowane

przez nie bia∏ka, dzi´ki czemu b´dzie
mo˝na w przysz∏oÊci leczyç ró˝nego ro-
dzaju zak∏ócenia, od zaburzeƒ snu po
sezonowà depresj´.

G∏ównym oÊrodkiem ludzkiego zega-

ra biologicznego jest znajdujàce si´ u
podstawy cz´Êci mózgu, zwanej pod-
wzgórzem, jàdro nadskrzy˝owaniowe

(SCN – suprachiasmatic nucleus). Kon-
troluje ono cyklicznà produkcj´ wielu
biologicznie aktywnych substancji, re-
agujàc na sygna∏y docierajàce do niego
z pobudzonej Êwiat∏em poranka siat-
kówki. SCN stymuluje na przyk∏ad sà-
siadujàcy z nim rejon mózgu – szyszyn-
k´, która wytwarza melatonin´, zwanà

44 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000

Gdzie mieÊci si´ zegar biologiczny? U ssa-
ków g∏ówny czasomierz, który kontroluje
dzienno-nocny cykl aktywnoÊci (rytm oko-
∏odobowy), znajduje si´ w cz´Êci mózgu
zwanej jàdrem nadskrzy˝owaniowym
(SCN). Jednak˝e komórki wszystkich innych
cz´Êci cia∏a równie˝ wykazujà taki rytm.

Co nakr´ca zegar? W poszczególnych ko-
mórkach SCN specyficzne geny zegara
zwane tim i per sà w∏àczane i wy∏àczane
wskutek oddzia∏ywaƒ kodowanych przez
nie bia∏ek na zasadzie 24-godzinnej p´tli
sprz´˝enia zwrotnego.

Czy funkcjonowanie zegara biologiczne-
go zale˝y od 24-godzinnego cyklu Êwia-
t∏a i ciemnoÊci? Nie. Molekularne rytmy
dzia∏ania genów tego czasomierza sà wro-
dzone i samonap´dzajàce si´. Wyst´pujà
tak˝e, kiedy brak naturalnego cyklu dni i
nocy.

Jakà rol´ odgrywa Êwiat∏o w dzia∏aniu
zegara? Âwiat∏o poch∏aniane przez siat-
kówk´ podczas dnia umo˝liwia synchro-
nizacj´ rytmów aktywnoÊci genów biolo-
gicznego chronometru, co z kolei gwa-
rantuje jego pe∏nà zgodnoÊç z cyklami Êro-

dowiska. Zadzia∏anie jasnego Êwiat∏a w
nocy powoduje przesuni´cie rytmów oko-
∏odobowych wskutek gwa∏townej zmia-
ny st´˝enia pewnych produktów genów
zegara.

W jaki sposób zegar molekularny regu-
luje poszczególne cykle dzienno-nocnej
aktywnoÊci? Zmiany st´˝enia bia∏ek ko-
dowanych przez geny zegara dodatkowo
kontrolujà procesy genetyczne, które ∏à-
czà molekularny czasomierz z rytmicznymi
zmianami funkcji fizjologicznych i zacho-
waƒ organizmu.

ZEGAR BIOLOGICZNY

JAK I DLACZEGO DZIA¸A

PODSTAWOWE PYTANIA

ÂWIAT¸O DOCIERAJÑCE DO OKA powoduje, ˝e szyszynka przestaje wytwarzaç melatonin´

(wstawki), która wywo∏uje uczucie sen-

noÊci. Sygna∏em hamujàcym jej wydzielanie jest bodziec pochodzàcy z siatkówki oka i docierajàcy przez nerw wzrokowy do jàdra nad-
skrzy˝owaniowego. Jego po∏àczenie z szyszynkà nie jest bezpoÊrednie.

SZYSZYNKA

WCZEÂNIE RANO

KRÓTKO PO
ZADZIA¸ANIU ÂWIAT¸A

PÓèNIEJ
W CIÑGU DNIA

MELATONINA

SZYSZYNKA

JÑDRO
NADSKRZY˚OWANIOWE

NERW WZROKOWY

CYNTHIA TURNER

hormonem snu. Im koniec dnia jest bli˝-
szy, tym jej produkcja wy˝sza. W miar´
wzrostu st´˝enia melatoniny we krwi
temperatura cia∏a powoli si´ obni˝a
i stajemy si´ senni.

Zegar cz∏owieka

Pomimo ˝e Êwiat∏o „ustawia wska-

zówki” zegara biologicznego ka˝dego
dnia, rytm dobowy czy oko∏odobowy
wyst´puje równie˝ u osobników pozo-
stawionych w ciemnoÊci. Âwiadczy to,
˝e aktywnoÊç SCN ma charakter wro-
dzony. Na poczàtku lat szeÊçdziesiàtych
udowodni∏ to wraz z zespo∏em Jürgen
Aschoff, pracujàcy wówczas w Max
Planck Institut für Verhaltensphysiologie
w Seewiesen w Niemczech. Wykazali oni,
˝e organizmy ochotników przebywajà-
cych w izolowanych bunkrach bez natu-
ralnego Êwiat∏a, zegarków lub innych
informacji co do up∏ywu czasu utrzymy-
wa∏y w przybli˝eniu normalny cykl snu
i aktywnoÊci o 25-godzinnym okresie.

Niedawno Charles Czeisler, Richard

E. Kronauer i ich koledzy z Harvard Uni-
versity ustalili, ˝e rytm oko∏odobowy
cz∏owieka ma okres bardzo zbli˝ony do
d∏ugoÊci doby – 24.18 godz. Poddali oni
badaniom 24 osoby obu p∏ci (11 w wie-
ku 20–30 i 13 w wieku 60–70 lat). Przeby-
wa∏y one ponad trzy tygodnie w warun-
kach, w których jedynym wskaênikiem
czasu by∏ 28-godzinny cykl bardzo s∏abe-
go Êwiat∏a i ciemnoÊci.

Mierzono im temperatur´ cia∏a, która

normalnie obni˝a si´ w nocy, jak rów-
nie˝ st´˝enie we krwi melatoniny i hor-
monu stresu – kortyzolu (jego st´˝enie
zmniejsza si´ wieczorem). Chocia˝ nie-
naturalnie wyd∏u˝ono dzieƒ o cztery go-
dziny, ciep∏ota cia∏a oraz poziom obu
hormonów zmienia∏y si´ u badanych
osób zgodnie z ich wewn´trznym (od-
mierzajàcym 24-godzinne odcinki cza-
su) zegarem biologicznym. Wydaje si´,
˝e wiek nie ma wp∏ywu na tempo cho-
dzenia owego czasomierza. Inaczej ni˝
w poprzednich badaniach, z których wy-
nika∏o, ˝e z up∏ywem lat dochodzi do za-
burzeƒ rytmów oko∏odobowych, w tym
przypadku temperatura cia∏a oraz st´˝e-
nie melatoniny i kortyzolu zmienia∏y si´
tak samo regularnie zarówno u osób m∏o-
dych, jak i u starszych.

Chcàc dowiedzieç si´ czegoÊ wi´cej

na temat genów zegara biologicznego,
naukowcy musieli jednak powróciç do
doÊwiadczeƒ na muszkach owocowych.
Stanowià one idealny obiekt badaƒ ge-
netycznych, poniewa˝ majà krótki cykl
˝yciowy i sà ma∏e. Mo˝na wi´c hodo-
waç je w laboratorium tysiàcami i krzy-
˝owaç dotàd, a˝ pojawià si´ mutanty
interesujàce ze wzgl´du na za∏o˝one ce-

le poznawcze. Aby przyspieszyç proces
mutacji, naukowcy poddajà zwykle
muszki dzia∏aniu dodawanych do po-
karmu zwiàzków chemicznych, zwa-
nych mutagenami.

Pierwsze mutanty wykazujàce zmia-

ny rytmów oko∏odobowych otrzymali
na poczàtku lat siedemdziesiàtych Ron
Konopka i Seymour Benzer z California
Institute of Technology. Badacze ci,
stosujàc aparat (podobny troch´ do tego,
którego u˝ywamy do opisanych powy-
˝ej doÊwiadczeƒ), rejestrowali aktyw-
noÊç lokomotorycznà 2 tys. muszek
– potomstwa owadów poddanych dzia-
∏aniu mutagenów. Wi´kszoÊç badanych
osobników mia∏a normalny 24-godzinny
rytm oko∏odobowy: by∏y one aktywne
w przybli˝eniu przez 12 godz. (w cià-
gu dnia) i odpoczywa∏y przez nast´p-
ne 12. Jednak muszki tworzàce trzy od-
r´bne grupy ujawni∏y mutacje o od-
miennym wzorcu aktywnoÊci. Nale˝à-
ce do pierwszej mia∏y cykl 19-, do dru-
giej 28-godzinny, a u tych z trzeciej nie
zaobserwowano ˝adnego okreÊlonego

rytmu oko∏odobowego – charakteryzo-
wa∏y si´ przypadkowym wzorcem ak-
tywnoÊci i spoczynku.

Zegar much

W 1984 roku trzy zespo∏y badawcze:

mój z Rockefeller University, Jeffreya
Halla z Brandeis University oraz Mi-
chaela Rosbasha z Howard Hughes Me-
dical Institute w Brandeis, wyizolowa-
∏y z tych mutantów – niezale˝nie od sie-
bie – gen nazwany period (w skrócie per).
Dwa lata póêniej okaza∏o si´, ˝e zasz∏y
w nim trzy ró˝ne zmiany. Poniewa˝
mutacja w tym samym genie powodo-
wa∏a powstawanie trzech ró˝nych wzor-
ców zachowaƒ, wyciàgn´liÊmy wnio-
sek, ˝e per jest w jakiÊ sposób zaanga-
˝owany nie tylko w powstawanie oko-
∏odobowego rytmu aktywnoÊci, ale rów-
nie˝ w ustalanie jego okresu.

ZadaliÊmy sobie pytanie, czy zawia-

duje nim samodzielnie. By na nie odpo-
wiedzieç, Amita Sehgal i Jeffrey Price,
pracujàcy w moim laboratorium, zbada-

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000 45

W

i´kszoÊç badaƒ dotyczàcych zegarów biologicznych koncentrowa∏a si´ na mó-
zgu, ale nie jest to jedyny narzàd zawiadujàcy dzienno-nocnà aktywnoÊcià.

Jadwiga Giebu∏towicz z Oregon State University zidentyfikowa∏a kluczowe dla dzia-

∏ania zegara biologicznego bia∏ka PER i TIM w komórkach cewek Malpighiego sta-
nowiàcych narzàdy wydalnicze muszki owocowej. Stwierdzi∏a równie˝, ˝e bia∏ka te sà
produkowane w rytmie oko∏odobowym, ich st´˝enie zaÊ wzrasta w nocy i spada
w dzieƒ. Cykl ten nie ulega zmianie równie˝ u owadów pozbawionych g∏owy, co ozna-
cza, ˝e funkcjonowanie zegara biologicznego w tych komórkach nie zale˝y wy∏àcznie
od sygna∏ów pochodzàcych z mózgu.

Zespó∏ kierowany przez Steve’a Kaya ze Scripps Research Institute w La Jolla w Ka-

lifornii stwierdzi∏ ponadto istnienie zegarów biologicznych w skrzyd∏ach, odnó˝ach,
narzàdach g´bowych i czu∏kach muszek owocowych. Przenoszàc do tych owadów ge-
ny powodujàce fluorescencj´ w miejscach produkcji bia∏ka PER Kay i jego koledzy

stwierdzili, ˝e ka˝da tkanka owada
zawiera niezale˝ny zegar wra˝liwy
na bodêce Êwietlne. Czasomierz ten
dzia∏a i reaguje na nie nawet wów-
czas, gdy poszczególne tkanki sà wy-
izolowane.

Nie jest to cecha charakterystycz-

na tylko dla muszek owocowych.
W 1998 roku Ueli Schibler z Univer-
sit¯ de Gen¯ve wykaza∏, ˝e geny per
komórek fibroblastów szczurów sà
aktywowane zgodnie z rytmem oko-
∏odobowym.

To, ˝e tyle ró˝nych typów komórek

wykazuje aktywnoÊç zegarów biolo-
gicznych, sugeruje, ˝e dla wielu tka-

nek odpowiedni czas jest niezb´dny
do zachowania synchronizacji z cza-
sem lokalnym. Odkrycie to pomo˝e
zapewne w zdefiniowaniu na nowo
terminu „zegar biologiczny”.

WSZECHOBECNE ZEGARY

TYKAJÑ NIE TYLKO W MÓZGU

W G¸OWIE MUSZKI OWOCOWEJ znajduje
si´ kilka zegarów biologicznych. Komórki po-
brane z narzàdów g´bowych i czu∏ków (

struk-

tury mi´dzy oczami) wykazujà takie same reak-
cje na cykle Êwiat∏a i ciemnoÊci, jak te wyizo-
lowane z mózgu.

JUERGEN BERGER

Max Planck Institute/SPL/Photo Researchers, Inc.

46 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000

DOBA ZEGARA BIOLOGICZNEGO MUSZKI OWOCOWEJ

KOMÓRKI MÓZGU TEGO OWADA ZAWIERAJÑ MOLEKULARNY CZASOMIERZ

ODPOWIADAJÑCY ÂCIÂLE CHRONOMETROWI CZ¸OWIEKA

W nocy nowo powsta∏e kom-
pleksy PER/TIM w´drujà do
jàdra, gdzie ca∏kowicie bloku-
jà aktywnoÊç bia∏ek CYCLE i
CLOCK, powodujàc zaprze-
stanie ich produkcji. Kiedy
wschodzi s∏oƒce, kompleksy
PER/TIM ulegajà degradacji
i cykl zaczyna si´ od poczàtku.

Gdy w cytoplazmie mRNA genów
per i tim po∏àczy si´ z rybosomami,
rozpoczynajà si´ procesy translacji
i powstajà ∏aƒcuchy z∏o˝one z ami-
nokwasów. W procesach posttran-
slacyjnych nast´puje ich fa∏dowanie
w dojrza∏e bia∏ka PER i TIM, które ∏à-
czà si´ ze sobà i tworzà o zmierzchu
nowe kompleksy.

4

3

PÓ¸NOC

ZMIERZCH

BIA¸KO TIM

ÂWIT

BIA¸KO PER

KOMPLEKS CYCLE/CLOCK

RYBOSOM

NOWO POWSTA¸E

BIA¸KO PER

NOWO POWSTA¸E

BIA¸KO TIM

CYNTHIA TURNER

li ponad 7 tys. muszek, szukajàc innych
mutantów rytmów oko∏odobowych.
Wreszcie znaleêli osobniki, które podob-
nie jak cz´Êç z grupy mutantów per nie
mia∏y wyraênego rytmu. Okaza∏o si´, ˝e
nowa mutacja zwiàzana jest z chromoso-
mem 2, podczas gdy mutacja per wyst´-
powa∏a w chromosomie X. Wiedzieli-
Êmy wi´c, ˝e musi to byç nowy gen
i nazwaliÊmy go timeless (w skrócie tim).

Teraz zacz´liÊmy si´ zastanawiaç, co

ma on wspólnego z genem per? Geny
sk∏adajà si´ z DNA, który zawiera in-
strukcj´ o budowie kodowanych przez
nie bia∏ek. Kwas ten nigdy nie opusz-
cza jàdra komórki. Zawarty w nim mo-
lekularny zapis przenoszony jest do cy-
toplazmy (gdzie powstaje bia∏ko) przez
informacyjne RNA (mRNA). U˝yliÊmy
genów per i tim do otrzymania w labo-
ratorium kodowanych przez nie bia∏ek.
Razem z Charlesem Weitzem z Harvard
Medical School stwierdziliÊmy, ˝e kiedy
je zmieszamy, ∏àczà si´ ze sobà. Za∏o˝y-
liÊmy wi´c, ˝e podobnie zachowujà si´
w komórce.

W wyniku serii doÊwiadczeƒ ustali-

liÊmy, ˝e produkcja tych bia∏ek zacho-
dzi na zasadzie zegarowego sprz´˝enia
zwrotnego [ilustracja z lewej]. Geny per
i tim sà aktywne dopóty, dopóki st´˝e-
nie kodowanych przez nie bia∏ek nie
osiàgnie poziomu, przy którym zaczy-
najà si´ ze sobà ∏àczyç. Powstajàce wów-
czas kompleksy (dimery) wnikajà do jà-
dra komórkowego i wy∏àczajà aktyw-
noÊç kodujàcych te bia∏ka genów. Po kil-
ku godzinach enzymy degradujà kom-
pleksy, a geny znów sà w∏àczane i mo-
gà rozpoczàç kolejny cykl.

Nastawianie zegara

Kiedy ustaliliÊmy, ˝e w tworzeniu mo-

lekularnego zegara wspó∏dzia∏ajà ze so-
bà dwa geny, zacz´liÊmy si´ zastanawiaç,
w jaki sposób mo˝na przesuwaç jego
wskazówki. Przecie˝ nawet po odbyciu
dowolnej liczby podró˝y i przekrocze-
niu wielu stref czasowych potrafimy ca∏-
kowicie dostosowaç nasz cykl snu i czu-
wania do lokalnych warunków, choç
czasami trwa to kilka dni czy tygodni.

Wtedy w∏aÊnie rozpocz´liÊmy nasze

doÊwiadczenia z przenoszeniem mu-
szek mi´dzy termostatami symulujàcy-
mi czas Nowego Jorku i San Francisco.
Wkrótce przekonaliÊmy si´ – podobnie
jak inni badacze – ˝e ilekroç muszki by-
∏y przenoszone z zaciemnionego do ja-
sno oÊwietlonego, symulujàcego dzieƒ
termostatu, bia∏ko TIM znika∏o z ich mó-
zgu ju˝ po kilku minutach.

Jeszcze bardziej zainteresowa∏o nas

spostrze˝enie, ˝e od kierunku „podró˝y”
muszek zale˝y poziom tego bia∏ka w ich

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000 47

W Êrodku dnia wszystkie bia∏ka PER i TIM ule-
gajà degradacji, a dwa inne – zwane CYCLE
i CLOCK – ∏àczà si´ ze sobà i tworzà komplek-
sy, te zaÊ wià˝à si´ nast´pnie z genami per i tim,
aktywujàc je. Zaczyna wówczas powstawaç
mRNA, który w´druje do cytoplazmy.

2

Gdy muszka jest wystawiona na dzia-
∏anie Êwiat∏a, w komórkach jej mó-
zgu ulegajà degradacji molekularne
kompleksy utworzone z dwóch bia-
∏ek nazwanych PER i TIM. Stanowià
one cz´Êç p´tli sprz´˝enia zwrotne-
go, która kontroluje aktywnoÊç ko-
dujàcych je genów per i tim.

1

GEN PER

BIA¸KO PER

BIA¸KO TIM

GEN TIM

mRNA PER

mRNA TIM;

BIA¸KO CLOCK

BIA¸KO CYCLE

JÑDRO

CYTOPLAZMA

PO¸UDNIE

KOMÓRKA MÓZGU MUSZKI

komórkach. Po przeniesieniu owadów
z „Nowego Jorku”, gdzie o ósmej wie-
czorem czasu miejscowego by∏o ju˝ ciem-
no, do „San Francisco”, w którym o pià-
tej po po∏udniu panowa∏ jeszcze dzieƒ,
poziom tego bia∏ka spada∏. Jednak˝e ju˝
godzin´ póêniej, po zgaÊni´ciu Êwiat∏a,
ponownie wzrasta∏. Bez wàtpienia wsku-
tek takiego przeniesienia nast´powa∏o za-
trzymanie molekularnego zegara muszek,
ale póêniej zaczyna∏ on ponownie cho-
dziç zgodnie z czasem lokalnym.

Odwrotne zjawisko obserwowano

u owadów przeniesionych o czwartej
rano z „San Francisco” do „Nowego Jor-
ku” (gdzie by∏a godzina siódma), które
doÊwiadcza∏y w zwiàzku z tym przed-
wczesnego „wschodu s∏oƒca”. Tak˝e
zmniejsza∏o si´ u nich st´˝enie bia∏ka
TIM, ale tym razem nie zaczyna∏o po-
nownie rosnàç, poniewa˝ ich zegar mo-
lekularny zosta∏ przyspieszony wsku-
tek zmiany strefy czasu.

Mechanizm le˝àcy u podstaw ró˝nych

molekularnych reakcji poznaliÊmy le-
piej, badajàc synchronizacj´ czasowà po-
wstawania mRNA genu tim. St´˝enie te-
go kwasu jest najwy˝sze o godzinie
mniej wi´cej ósmej wieczorem, a najni˝-
sze mi´dzy szóstà a ósmà rano. Muszki
przenoszone o ósmej wieczorem z „No-
wego Jorku” do „San Francisco” majà
najwy˝szy poziom mRNA genu tim,
a zatem bia∏ko TIM utracone w wyniku
dzia∏ania Êwiat∏a w termostacie „San
Francisco” ∏atwo jest uzupe∏niç po za-
chodzie s∏oƒca w nowych warunkach.
Natomiast osobniki przeniesione o
czwartej rano z „San Francisco” do „No-
wego Jorku” syntetyzowa∏y przed „po-
dró˝à” bardzo ma∏o mRNA genu tim.
Przedwczesny „wschód s∏oƒca” elimi-
nowa∏ kodowane przez nie bia∏ko TIM,
a to pozwala∏o rozpoczàç nast´pnà faz´
jego cyklu produkcji zgodnie z nowym,
wczeÊniejszym „rozk∏adem jazdy”.

Nie tylko owady

Badanie skutków przesuni´cia czasu

u muszek ma podstawowe znaczenie
dla zrozumienia rytmów oko∏odobo-
wych ssaków, w tym cz∏owieka. W 1997
roku naukowcy kierowani przez Haji-
me Tei z Uniwersytetu Tokijskiego i Hi-
toshi Okamur´ z Uniwersytetu w Kobe
w Japonii wyizolowali mysie i ludzkie
homologi genu per. Niezale˝nie od nich
dokona∏ tego tak˝e Cheng Chi Lee
z Baylor College of Medicine. Nast´pne
wyniki z 1998 roku, tym razem uzyska-
ne w wielu laboratoriach, dowiod∏y ist-
nienia odpowiednika genu tim równie˝
u myszy i ludzi. JednoczeÊnie wykaza-
no, ˝e oba te geny sà aktywowane w jà-
drze nadskrzy˝owaniowym.

DoÊwiadczenia na myszach pomog∏y

tak˝e odpowiedzieç na podstawowe py-
tanie: jakie czynniki powodujà aktywa-
cj´ transkrypcji genów per i tim? W 1997
roku Joseph Takahashi i jego koledzy
z Howard Hughes Medical Institute
w Northwestern University wyizolowa-
li gen, który nazwali Clock. W wyniku
jego mutacji otrzymywano myszy bez
dok∏adnie okreÊlonego oko∏odobowego
rytmu aktywnoÊci. Okaza∏o si´, ˝e gen
Clock koduje czynnik transkrypcyjny –
bia∏ko, które ∏àczàc si´ z DNA, umo˝li-
wia proces transkrypcji i syntez´ mRNA.

Wkrótce potem wyizolowano muszy

odpowiednik mysiego genu Clock i ró˝-
ne grupy badaczy zacz´∏y w∏àczaç do
komórek ssaków i muszek owocowych
rozmaite kombinacje genów per, tim
i Clock. DoÊwiadczenia wykaza∏y, ˝e
bia∏ko CLOCK ∏àczy si´ u myszy z ge-
nem per, a u muszek z genami per i tim.
Wówczas zrozumiano, na czym polega
ca∏y cykl oddzia∏ywaƒ molekularnych
u muszek owocowych (u których me-
chanizm zegara poznano najdok∏adniej).
Bia∏ko CLOCK – po po∏àczeniu z bia∏-
kiem kodowanym przez gen zwany
cycle – wià˝e si´ z genami per i tim, akty-
wujàc ich transkrypcj´, ale tylko wtedy,
gdy brakuje w jàdrze bia∏ek PER i TIM.

48 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000

1.00

• Zwykle u kobiet ci´˝arnych

pojawiajà si´ skurcze porodowe.

• Najwi´ksza liczebnoÊç

limfocytów T pomocniczych.

2.00

• Najwy˝sze st´˝enie hormonu

wzrostu.

4.00

• Najcz´Êciej wyst´pujà ataki

astmy.

6.00

• Najcz´Êciej rozpoczyna si´ cykl

menstruacyjny.

• Najni˝sze st´˝enie insuliny

we krwi.

• CiÊnienie krwi i cz´stotliwoÊç

skurczów serca zaczynajà rosnàç.

• Zwi´ksza si´ st´˝enie hormonu

stresu – kortyzolu.

• St´˝enie melatoniny zaczyna

spadaç.

7.00

• Nasilajà si´ symptomy kataru

siennego.

8.00

• Najwi´ksze niebezpieczeƒstwo

ataku serca i udaru mózgu.

• Nasilenie symptomów

artretyzmu.

• Najni˝sza liczebnoÊç limfocytów T

pomocniczych we krwi.

Po∏udnie

• Najwy˝szy poziom hemoglobiny

we krwi.

15.00

• Najwy˝sze wartoÊci: si∏y skurczu

d∏oni, wspó∏czynnika oddechowe-
go i wra˝liwoÊci na bodêce.

16.00

• Najwy˝sze: temperatura cia∏a,

cz´stoÊç skurczów serca
i ciÊnienie krwi.

18.00

• Najwy˝sza produkcja moczu.

21.00

• Najmniejsza wra˝liwoÊç na ból.

23.00

• Najcz´Êciej wyst´pujà ataki alergii

.

ZMIANY ZACHODZÑCE
W ORGANIZMIE W CIÑGU
24-GODZINNNEGO CYKLU
OKO¸ODOBOWEGO

W

celu identyfikacji genów kontrolu-
jàcych cykle dzienno-nocnej aktyw-

noÊci muszek naukowcy poddajà je dzia-
∏aniu czynników mutagennych, które
zmieniajà geny osobników potomnych.
Ka˝dy z owadów jest umieszczany w
szklanej rurce. Z jednej strony znajduje
si´ w niej pokarm, a z drugiej tampon z
waty umo˝liwiajàcy dop∏yw powietrza.

Rurki z muszkami owocowymi sà

umieszczane na specjalnej tacy zawie-
rajàcej diody emitujàce Êwiat∏o podczer-
wone oraz jego detektory po∏àczone
z komputerem. Owady te normalnie od-
poczywajà w nocy, a sà aktywne w dzieƒ.
Czujniki monitorujà aktywnoÊç ka˝dego
osobnika, rejestrujàc, ile razy przecina
on wiàzk´ Êwiat∏a podczerwonego. Ana-
liza tysi´cy mutantów pozwala wykryç
ewentualne zaburzenia w ich rytmach
oko∏odobowych.

MONITOROWANIE
RYTMU
OKO¸ODOBOWEGO
MUSZEK

APARAT DO REJESTRACJI
AKTYWNOÂCI

ADAPTOWANE Z

SEARCH

, WIOSNA 1998

Te cztery geny i kodowane przez nie
bia∏ka stanowià „serce” zegara biolo-
gicznego muszek i z pewnymi modyfi-
kacjami wydajà si´ stanowiç g∏ówny
mechanizm regulujàcy rytm oko∏odo-
bowy w ca∏ym Êwiecie zwierz´cym, po-
czynajàc od ryb, przez ˝aby i myszy,
a koƒczàc na cz∏owieku.

Ostatnio grupy kierowane przez Ste-

ve’a Repperta z Harvardu oraz Justina
Blau z mojego laboratorium rozpocz´∏y
badania nad dzia∏aniem wspólnych spe-
cyficznych sygna∏ów ∏àczàcych zegary
biologiczne myszy i muszek owocowych
z wyst´powaniem w czasie ró˝nych ich
zachowaƒ, zmian hormonalnych oraz in-
nych funkcji organizmu. Jak si´ wydaje,

pewne geny zawiadujàce tymi procesami
sà aktywowane wskutek bezpoÊredniej
interakcji z bia∏kiem CLOCK. Bia∏ka PER
i TIM blokujà te jego funkcje, powodujàc
jednoczeÊnie oscylacje w centralnym me-
chanizmie sprz´˝enia zwrotnego i ustala-
jàc tym samym odpowiednie wzorce cy-
klicznych zmian aktywnoÊci genów.

Bardzo obiecujàce mogà si´ okazaç

w przysz∏oÊci badania majàce na celu
wyodr´bnienie i rozpoznanie funkcji
wszystkich genów regulowanych przez
zegar biologiczny. Byç mo˝e pr´dzej czy
póêniej zostanà odkryte w obr´bie tego
w∏aÊnie uk∏adu nie scharakteryzowane
wczeÊniej bia∏kowe produkty tych ge-
nów, majàce istotny wp∏yw na zacho-

wanie. A jedno z bia∏ek czy te˝ innych
sk∏adników zegara molekularnego sta-
nie si´ celem dzia∏ania leków likwidujà-
cych symptomy przesuni´cia czasu,
efekty uboczne pracy zmianowej, zabu-
rzenia snu i zwiàzane z nimi choroby
depresyjne. Pewnego dnia przystoso-
wanie si´ do nowego czasu po podró-
˝y z Nowego Jorku do San Francisco b´-
dzie znacznie ∏atwiejsze.

T∏umaczy∏

Bronis∏aw Cymborowski

*Owady te sà popularnie, choç nieprawid∏owo, na-
zywane przez wi´kszoÊç polskich biologów musz-
kami owocowymi, co jest kalkà potocznej nazwy
angielskiej fruit flies; ulegajàc sile przyzwyczaje-
nia ogó∏u, pozostawiamy, acz z niech´cià, t´ nazw´
w artykule (przyp. red.).

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2000 49

Informacje o autorze

MICHAEL W. YOUNG jest profesorem i kierownikiem Laborato-
rium Genetyki w Rockefeller University. Kieruje tak˝e grupà bada-
czy z National Science Foundation’s Science and Technology Cen-
ter for Biological Timing, która ∏àczy laboratoria z Brandeis
University, Northwestern University, Rockefeller University, Scripps
Research Institute w La Jolla w Kalifornii oraz University of Vir-
ginia. Po uzyskaniu w 1975 roku doktoratu w University of Texas
Young odby∏ sta˝ w Stanford University School of Medicine, ba-
dajàc struktur´ chromosomów i genów. W 1978 roku zosta∏ w Ro-
ckefeller University cz∏onkiem zespo∏u badawczego, który wyizo-
lowa∏ cztery z siedmiu genów zwiàzanych z dzia∏aniem zegara
biologicznego muszki owocowej i opisa∏ ich funkcje.

Literatura uzupe∏niajàca

THE MOLECULAR CONTROL OF CIRCADIAN BEHAVIORAL RHYTHMS AND THEIR

ENTRAINMENT IN DROSOPHILA

. Michael W. Young; Annual Review of Bio-

chemistry, vol. 67, s. 135-152, 1998.

MOLECULAR BASES FOR CIRCADIAN CLOCKS.

Jay C. Dunlap; Cell, vol. 96, nr 2,

s. 271-290, 22 I 1999.

TIME, LOVE, MEMORY: A GREAT BIOLOGIST AND HIS QUEST FOR THE ORIGINS OF

BEHAVIOR

. J. Weiner; Alfred Knopf, 1999.

Zaj´cia dydaktyczne – zarówno domowe, jak i szkolne – dotyczàce ze-

garów biologicznych zamieszczono na stronie internetowej National
Science Foundation’s Science and Technology Center for Biological
Timing pod adresem: http://cbt4pc.bio.virginia.edu/tutorial
/TUTORIALMAIN.html.

KOREK

POKARM

èRÓD¸O
ÂWIAT¸A PODCZERWONEGO

WIÑZKA PODCZERWIENI

FOTOTRANZYSTOR

SKOMPUTERYZOWANY

SYSTEM REJESTRACJI

AKTYWNOÂCI MUSZEK

TACA WYPE¸NIONA
RURKAMI Z OWADAMI

WATA

CYNTHIA TURNER