молекулярные механизмы регуляции циркадных ритмов
Сайденова А.А
Оренбургский Государственный Университет, Оренбург, Россия
Циркадные ритмы -- это внутренние часы, которые работают у любого живого организма, подстраивая его жизнедеятельность к смене дня и ночи. В настоящее время выявлено более 300 функций и процессов, имеющих околосуточную ритмику.[4] Установлено наличие циркадных ритмов двигательной активности, температуры тела и кожи, частоты пульса и дыхания, кровяного давления, диуреза. Суточным колебаниям подвержены содержания различных веществ в тканях и органах тела, в крови, моче, поте, слюне, интенсивность обменных процессов, энергетическое и пластическое обеспечение клеток, тканей и органов.
Американские генетики и хронобиологи Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг, получившие в 2017году Нобелевскую премию по физиологии и медицине, смогли заглянуть внутрь этого механизма и пролить свет на его скрытую работу. Их открытия объясняют, как растения, животные и люди синхронизируют свои биологические ритмы с суточным циклом вращения Земли.
Древнейшее наблюдение за циркадными ритмами сделал Андросфен, который описывает дерево на одном из островов, листья которого «ночью <…> складываются, с восходом солнца начинают раскрываться и в полдень окончательно развертываются; с наступлением вечера опять постепенно сжимаются и ночью складываются. Местные жители говорят, что дерево засыпает» (пер. М. Е. Сергеенко). Скорее всего, Андросфен имел в виду индийский тамаринд (Tamarindus indica).
В 1729 году французский астроном и физик Жан Жак де Меран заинтересовался способностью мимозы стыдливой (Mimosa pudica) раскрывать свои листочки утром и складывать их на ночь. Де Меран поместил мимозу в темный ящик и с удивлением наблюдал, как еще около недели она своевременно сворачивала и разворачивала листочки несмотря на отсутствие стимуляции светом. На основе этого он сделал предположение, что ритм этого процесса задается изнутри, а не снаружи, то есть изменение в растении не вызывались напрямую солнечным светом, а зависели от какого-то внутреннего механизма, «часов». Правда, де Меран склонялся к другому объяснению, считая, что растения способны «ощущать Солнце, не видя его». Тем не менее, его маленькая статья о мимозе стала первым исследованием в хронобиологии.
Позже подобные ритмы были обнаружены не только у растений, но и у животных, включая и человека. Эти ритмы регулируют сон и бодрствование, им подвержены температура тела, мозговая активность, выработка гормонов, регенерация клеток и другие процессы организма. Прилагательное «циркадные», предложенное для них в 1950-е годы американским хронобиологом Францем Хальдбергом образовано от латинских слов circa «около» и dies «день», то есть ритмы с периодом около суток. [5]
В XX веке ученым удалось узнать много подробностей о работе циркадных ритмов. Например, они открыли, что ритмические процессы не только сохраняются в отсутствии внешних факторов (как в опыте с мимозой в темноте), но и способны корректироваться, сдвигаясь при изменении внешних условий. Мы сталкиваемся с этим явлением, совершая путешествие на самолете через несколько часовых поясов. Сначала человек переживает «джет-лаг», пока его циркадные ритмы идут по-старому, а потом они модифицируются, подстраиваясь под местные дневные и ночные часы. Но молекулярно-генетическая природа циркадных ритмов стала известна лишь в последней трети XX века.
В 1970-е годы Сеймур Бензер и Рональд Конопка из Калифорнийского технологического института показали, что циркадные ритмы имеют генетическую природу. Идея нетривиальная, так как даже сторонники «внутренних часов» считали, что если они и имеют генетическую природу, то число задействованных генов должно быть очень велико, и повлиять мутациями на этот признак значимо не выйдет.[6] В качестве модели они использовали плодовых мушек дрозофил. Время было дикое, амплификаторы и секвенаторы еще не изобрели. Экспериментаторы обрабатывали яйца мушек мутагены, вызывая изменения в случайных генах. Они сумели получить три разных по «ритмике» линии дрозофил. Первая линия имела циркадный ритм продолжительностью 28 часов, вторая -- 19 часов, а в третьей обычно ритмические параметры вообще не подчинялись никакому заметному циклу. Путем долгих изысканий методами классической генетики исследователи смогли локализовать ответственный за изменения участок. Им оказался ген в половой Х-хромосоме, который был назван period. На тот момент, в отсутствие молекулярных методов, двигаться дальше было невозможно. Что это за ген и как он работает -- осталось загадкой.
Идентифицировать этот ген смогли в 1984 году Джеффри Холл и Майкл Росбаш, работавшие в Университете Брандейса в Бостоне и Майкл Янг из Университета НьюЙорка. Он получил название period (per). С использованием передовой тогда технологии клонирования участков ДНК в бактериях, они смогли напрямую доказать связь period с циркадными ритмами. Затем Холл и Росбаш определили белок (PER), кодируемый этим геном.
Они предположили, что природа ритмов заключается в механизме отрицательной обратной связи: чем выше возрастает концентрация белка в клетке, тем меньше он синтезируется. Белок накапливался в организме ночью и разрушался в течение дня. При уменьшении концентрации белка PER вновь запускается механизм его синтеза, и процесс повторяется.
Ученые выявили также две мутации этого гена, получившие обозначения perS и perL. При первой мутации период изменений в концентрации белка становился короче, при второй длиннее. То есть «биологические часы» дрозофил с этими мутациями начинали спешить или отставать. Соответствующие изменения в концентрации белка PER коррелировали с уровнем двигательной активности у дрозофилы.
Параллельно ту же самую работу с тем же самым результатом в Рокфеллеровском университете Нью-Йорка проделала команда Майкла Янга, опубликовав результаты ровно тогда же, в 1984 году. Этой работе предшествовали столь же аккуратные исследования строения локуса per и его транскриптов.
Таким образом, Джеффри Холл и Майкл Росбаш продемонстрировали, что ген per экспрессируется практически во всех тканях тела особенности в глазах и в мозге, а Майкл Янг установил, что длительность цикла зависит от количества продуктов per.
Полученные результаты вплотную придвинули исследователей к расшифровке механизмов регуляции суточных ритмов. И действительно, вскоре Холлом и была предложена модель регуляции суточных ритмов. Она основывалась на идее обратной связи между белком PER и интенсивностью экспрессии гена, который его кодирует: накопление белка тормозит его синтез, а при снижении количества белка синтез активируется.
С помощью иммуноцитохимических методов Росбаш и Холл в 1992 году определили, что белок PER концентрируется внутри ядра. Ученые заключили, что PER выступает транскрипционным фактором, который регулирует собственный ген per. Каким образом этот белок попадает в ядро, ведь синтезируется он в цитоплазме?
На этот вопрос смог ответить Майкл Янг. Он с коллегами проанализировал около 7000 мутаций дрозофилы и выявил одну, которая удовлетворяла требованиям периодичности. Эта мутация была названа timeless (с белком TIM). У мутантов по этому гену суточные ритмы нарушались. В серии экспериментов команде Янга удалось показать, что period и timeless работают в связке, и именно новооткрытый белок TIM обеспечивает доставку PER в ядро, где они и блокируют активность гена period, таким образом замыкая бесконечный цикл производства белка PER.
Позже у дрозофилы были обнаружены еще два гена - cycle и clock, которые блокируют транскрипционные факторы, запускающие их собственный синтез. Как оказалось, гетеродимер белков PER и TIM, проникая в клеточное ядро, воздействует именно на гены cycle и clock, приостанавливая синтез их матричной РНК, а опосредованно - и собственный синтез. Концентрации белков PER и TIM после этого снижаются, их гетеродимера производится меньше, он уже не выключает гены cycle и clock, их белки снова подстегивают работу генов period и timeless - процесс повторяется по кругу.
За своевременное разрушение белков PER и TIM отвечает продукт еще одного генаcryptochrome (белок CRY), который был открыт Росбашем и его коллегами. Концентрация PER и TIM падает на свету и возрастает вечером и ночью. Это связано с тем, что белок CRY чувствителен к световым волнам в голубой части спектра и днем активнее вступает в реакцию с белком TIM, вызывая его распад. Это ускоряет и распад белка PER, так как без белка TIM он куда менее стабилен.
Через некоторое время Янг выявил и исследовал еще один ген, участвующий в регуляции суточных ритмов. Для этого понадобилось прочитать 15 000 хромосом (были выбраны вторая и третья хромосомы) у мух, которых подвергли действию химического мутагена. В результате были выделены две линии с новой мутацией в гене doubletime (dbt). Одна из них резко укорачивала период ритмов: вместо 24-часового получался 18-часовой цикл активности. А другая, наоборот, увеличивала период циклов до 26-27 часов. Роль этого гена (точнее, его белка), как выяснилось, состоит в том, чтобы разрушать избыточные PER (за счет фосфорилирования), которые накапливаются в цитоплазме. Когда в цитоплазму поступают TIM, то они связываются с PER и переправляются в ядро, остаток PER должен быть удален из цитоплазмы для начала следующего цикла. Это и делает белок DBT. Если при постоянном освещении или его отсутствии цикличность поступления TIM в цитоплазму нарушается, то DBT способны сами собой поддерживать цикл без всякой смены освещенности. Именно поэтому у мутантов dbt регистрируются нарушения суточных циклов лишь в экспериментах в темноте, а при нормальной смене светлой и темной фазы суточная ритмика у них не нарушается -- срабатывает регуляция TIM. Так что DBT обеспечивает стабильность суточных ритмов при сбоях темной и светлой фаз.
Таким образом, приступив в 70-х годах к исследованиям в дисциплине, которая состояла из одних вопросов, к началу нового века Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг фактически заново создали науку о циркадных ритмах. Они построили предметную базу для очень важных академических, и прикладных исследований.
Ведь большинство физиологических процессов у живых организмов завязано на суточных ритмах, и каждый процесс собственным биохимическим способом с ними соотносится.
С циклом "сон-бодрствование" тесно связывают клинику мозгового инсульта. В 75% случаев инсульты развиваются в дневное время, а в 25% - в период ночного сна. Нарушение ритмов, например расстройства сна, может привести к психическим заболеваниям. Отмечено, что при различных депрессивных расстройствах в 83-100% случаев отмечают нарушения ночного сна [3]. Причинами развития депрессии при органических заболеваниях ЦНС являются патологические изменения в мозге, связанные с определенными нейрохимическими дефектами. Наиболее частой формой органической депрессии в неврологической клинике является паркинсонизм (депрессия встречается у 30-90% больных паркинсонизмом).
Есть люди, у которых работа биологических часов нарушена из-за мутаций в некоторых генах. Например, они хотят спать уже к семи вечера и просыпаются в тричетыре часа утра. Если они не могут себе позволить спать именно в это время, то это приводит к недосыпу со всеми вытекающими негативными последствиями. Теоретически благодаря этим открытиям можно создать препараты для коррекции циклов и помочь людям, которым приходится бодрствовать в то время, когда организму необходим сон.
Выражаю благодарность своему научному руководителю- к.б.н., доценту кафедры биологии ОрГМУ Фабарисовой Л.Г за помощь в подготовке работы.
Список литературы
циркадный суточный ритм организм
1. Ковальзон В.М. Человек и его здоровье. Мелатонин - без чудес // Природа. - 2004. - № 2. - С. 24-26.
2. Левин Я.И. Мелатонин (мелаксен) в терапии инсомнии // Русс. мед. журн. - 2005. - Т. 13, № 7. - С. 498-500.
3. Мошкин М.П. Влияние естественного светового режима на биоритмы полярников // Физиология человека. 1984, 10(1): 126-129.
4. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: В 3-х т. Т.2: Пер. с англ./Под ред. Р. Сопера - 3-е изд. - М.: Мир, 2002. - 436 с., ил. 15
5. Хронобиология и хрономедицина/Под ред. Ф. И. Комарова. -- М.: Медицина, 1989. ISBN 5-225-01496-8
6. Pittendrigh C. S. Circadian rhythms and the circadian organization of living systems // Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1960. V. 25. P. 159--184.
7. https://biomolecula.ru/articles/tik-tak-po-shvedski-nobelevskaia-premiia-zatsirkadnye-ritmy
8. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/advancedmedicineprize2017.pdf