Giải Nobel Sinh Lý/Y Học 2017: Giải mã bí ẩn của đồng hồ sinh học

Tất cả các dạng sống trên Trái Đất đều có đồng hồ sinh học. Nhờ vào đó, sinh vật có khả năng thích ứng với chu kỳ ánh sáng vốn là hệ quả từ sự tự quay quanh trục của Trái Đất. Ngoài ra, đồng hồ sinh học còn đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc kiểm soát nhiều chức năng của cơ thể, bao gồm nồng độ hormone, ngủ, thân nhiệt, và tất cả các quá trình trao đổi chất.

Với tốc độ hiện đại hóa cao đến chóng mặt như hiện nay, xã hội loài người đang có những biến đổi quan trọng. Nhu cầu công việc  bắt buộc nhiều người trong số chúng ta phải di chuyển bằng máy bay hoặc hi sinh giấc ngủ của mình để làm ca đêm trong các văn phòng,công xưởng, hay nhà máy. Điều này khiến cho nhịp điệu bình thường trong cơ thể ta bị rối loạn, gây ra các triệu chứng tác hại đến sức khỏe. Do vậy, khoa học đòi hỏi phải có những nghiên cứu về đồng hồ sinh học để ứng dụng cho các liệu pháp điều trị trong một số loại bệnh, điển hình như tim mạch.

Hình: Đồng hồ sinh học. Nguồn: Mattias Karlén. 

Năm 2017, giải Nobel Sinh Lý/Y Học danh giá với giá trị lên đến 1,1 triệu USD đã được trao cho ba nhà khoa học Mỹ, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, và Michael W. Young vì những nghiên cứu tiên phong của họ trong cơ chế phân tử của đồng hồ sinh học. Để hiểu sâu hơn về vấn đề này, chúng ta quay về tìm hiểu những khám phá của họ vào năm 1984. Thời điểm đó, Hall và Rosbash ở Đại Học Brandeis cùng Young ở Đại Học Rokefeller đã độc lập phân lập được gene period – gene tham gia kiểm soát nhịp điệu sinh học hằng ngày ở ruồi giấm (fruit flies). Protein PER được mã hóa từ gene này có nồng độ đạt mức cao nhất vào ban đêm và giảm xuống thấp vào ban ngày. Nồng độ PER trong cơ thể được điều hòa dựa vào cơ chế liên hệ ngược.

Một thập kỉ sau, vào năm 1994, Young đã khám phá ra được một protein khác tham gia vào việc điều hòa gene period. Đó là protein TIM được mã hóa từ gene timeless, thực hiện chức năng liên kết với PER và vận chuyển PER từ tương bào vào bên trong nhân ở thời điểm ban ngày. Tại đây, phức hệ TIM – PER đóng vai trò như một chất ức chế ngăn chặn sự biểu hiện của gene period. Mặt khác, protein DOUBLETIME thuộc họ kinase tiến hành phản ứng phosphoryl hóa protein PER. Khi không tạo thành phức hệ với TIMELESS,  protein PER sau khi được gắn gốc phosphate nhờ DOUBLETIME sẽ bước vào quá trình phân hủy, nhờ vậy đã đảm bảo được tính chuẩn xác của đồng hồ sinh học.

Tất cả các protein đồng hồ sinh học thường được tìm thấy trong các sinh vật nhân chuẩn từ ruồi giấm đến người. Tuy nhiên, chúng hoàn toàn không phổ biến trong toàn bộ sinh giới. Chẳng hạn như Cyanobacteria có một hệ thống protein hoàn toàn khác tham gia vào việc điều hòa nhịp điệu ngày đêm. Millar nhận định rằng: “Đồng hồ sinh học gần như phổ biến ở các tế bào nhân thực có cấu tạo phức tạp, nhưng dường như có nhiều ngoại lệ đối với các sinh vật tiền nhân. Ông hi vọng rằng trong tương lai, nhiều cơ chế rộng hơn về vấn đề này sẽ dần được làm sáng tỏ.

Lê Anh Dũng (chuyển ngữ)

Đại Học Khoa Học Huế

Bài báo:

1. Celia Henry Arnaud. Circadian rhythm pioneers win 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine. c&en. 2 Oct 2017.
2. Philip Perry. 3 Americans Awarded Nobel Prize for Unlocking the Body Clock. Bigthink. 3 Oct 2017.