Самые маленькие часики
Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2017 года присудили Джеффри Холлу, Майклу Розбашу (Брандейский университет, Бостон) и Майклу Янгу (Рокфеллеровский университет, Нью-Йорк) за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы.
Если когда-нибудь в далекой-далекой галактике враждебные Чужие возьмут в плен землянина, гордое молчание ему не поможет. Само устройство его организма даст противнику подробную информацию о его родной планете. И не только про богатую кислородом атмосферу, водяные океаны и биоту на основе углерода, но даже про период обращения планеты вокруг оси.
Циркадные ритмы — буквально «околосуточные» — помогают живому существу синхронизироваться с вращением Земли, становиться активным в светлое время суток и засыпать в темное (или наоборот, если существо ночное). Наблюдательные люди давно заметили, что эти ритмы определяются не только сменой освещения. Мимоза в знаменитом опыте Жан-Жака Дорту де Мерана (1729) расправляла и сжимала листья в темной комнате, куда не пронимал дневной свет. Подобные опыты затем повторяли многие, например в начале ХХ века немецкий физиолог растений Эрвин Бюннинг прикреплял листья бобового ростка к кимографу и фиксировал их движения при нормальной смене дня и ночи и при постоянном освещении. Животные также демонстрировали суточные ритмы, и люди, которые в рамках аналогичного эксперимента подолгу жили в пещере или в закрытом помещении, засыпали и просыпались в ритме, довольно близком к 24-часовому (хотя некоторые обгоняли земные сутки, а другие слегка отставали от них). Значит, и у растений, и у животных есть внутренние генераторы ритма. После ДНК-революции в биологии естественно было сказать: «ищите гены».
Историю этих генов мы рассказывали минимум два раза (см. «Химию и жизнь», 2000, 2; 2011, 6). Но часовой механизм живой клетки так красив, что можно рассказать и в третий, благо повод есть.
Первые принципиально важные исследования были выполнены вскоре после открытия двойной спирали. В 60-е — начале 70-х годов Сеймур Бензер в Калифорнийском технологическом институте изучал генетику поведения дрозофилы. Не все в то время допускали, что поведение животных может жестко определяться отдельными генами. Бензер, однако, полагал, что простейшие элементы поведения могут быть такими же фенотипическими признаками, зависящими от генотипа, как цвет глаз или туловища дрозофилы. (И если бы он не умер в 2007 году, то вполне мог бы войти в число лауреатов.) Он использовал методы химического мутагенеза, чтобы получить линии дрозофил со сбоями циркадных ритмов. Удалось найти три таких линии: у одной суточный цикл сократился до 19 часов, у другой удлинился до 28 часов, у третьей линии суточная активность изменялась случайным образом, и даже из куколок эти мушки вылуплялись не в определенное время суток, как в норме, а когда попало. Рональд Конопка, один из студентов Бензера, исследуя эти линии, обнаружил, что мутантный ген у всех трех локализован в Х-хромосоме (PNAS USA, 1971, 68, 2112—2116). Ген назвали period, или per. Бензер и Конопка предположили (и, как выяснилось потом, были правы), что в гене аритмичных мушек есть нонсенс-мутация, мешающая синтезу белка-продукта, а мутации в двух других линиях каким-то образом изменяют его свойства.
Ген period клонировали и секвенировали в 1984 году Майкл Розбаш и Джеффри Холл в Брандейском университете, а также Майкл Янг в Рокфеллеровском университете (PNAS USA, 1984, 81, 2142—2146; «Nature», 1984, 312, 752—754; «Cell», 1984, 38, 701—710; «Cell», 1984, 39, 369—376). Белок, кодируемый этим геном, назвали PER. Оставалось понять, как он работает. По этому поводу было несколько более или менее умозрительных гипотез, пока в лабораториях Холла и Розбаша не сделали следующие важные наблюдения (они стали возможными благодаря появлению антител к PER). Оказалось, что концентрация этого белка в нервных клетках дрозофилы на протяжении суток изменяется по синусоиде, с пиком в ночное время. Аналогичным образом изменяется и концентрация матричной РНК (мРНК) гена per, причем пика она достигает на несколько часов раньше, чем концентрация белка. У аритмичных мутантов концентрации мРНК не менялась, но добавление белка дикого типа вызывало ее экспрессию. Все это наводило на мысли о каком-то механизме обратной связи. А потом выяснилось, что PER — ядерный белок и перемещается из цитоплазмы в ядро. Это подсказывало, что он может быть регулятором транскрипции (транскрипция, то есть синтез мРНК, происходит в ядре).
В 90-е годы группа Янга нашла ген timeless, или tim. Концентрация его мРНК также описывала синусоиду с периодом 24 часа, а продукт — белок TIM — связывался с PER, тем самым блокируя его разрушение и способствуя отправлению в ядро. Были найдены дрозофилы с мутациями в гене tim — у них была нарушена цикличность экспрессии per, причем верным оказалось и обратное: у мутантов по per нарушалась цикличность экспрессии tim.
 |
|
Гены циркадных ритмов у дрозофилы и их продукты |
Затем были открыты другие участники этого процесса — гены clock и cycle (группа Розбаша; впрочем, ген clock у мышей впервые обнаружил Джозеф Такахаши из Медицинского института Говарда Хьюза). Продукты этих генов CLK и CYC взаимодействуют друг с другом, а затем садятся на промоторы генов tim и per и включают их транскрипцию. Когда белков PER и TIM становится много, димер PER:TIM выключает синтез мРНК с генов clock и cycle, тем самым и белков CLK и CYC, а значит, в конечном счете и собственных мРНК. Концентрации PER и TIM, все это время нараставшие вплоть до ночного пика, начинают падать, наконец «выключатель» — димер PER:TIM — исчезает, и снова активируются clock и cycle, чтобы их продукты опять включили гены tim и per, — суточный цикл запускается заново. Этот регуляторный механизм получил название «транскрипционно-трансляционная петля обратной связи» (Transcription-Translation Feedback Loop, TTFL).
Падение концентраций PER и TIM после пика обеспечивают другие белки. Продукт гена doubletime (DBT), который открыли Янг с коллегами, — фермент киназа; он фосфорилирует PER, то есть прицепляет к нему фосфатную группу и тем самым ускоряет его деградацию. А продукт гена cryptochrome, открытого группой Розбаша, белок CRY, отвечает за подведение биологических часов по солнцу. Криптохромы — это флавопротеины (то есть белки, содержащие рибофлавиновые производные нуклеиновых кислот), чувствительные к голубому свету. Белок CRY активируется светом, взаимодействует с TIM и запускает его деградацию. А поскольку TIM стабилизирует и «напарника» — белок PER, его распад тоже ускоряется. Заспавшийся организм, освещенный солнцем, через посредство CRY ощущает, что вставать, как ни крути, пора.
Это далеко не все гены биологических часов, но их пружинка или маятник — основная деталь, обеспечивающая осцилляции, то есть периодические колебания. Описанный выше механизм, как выяснилось, очень консервативен, аналогичные гены и петли обратной связи найдены у многих высших организмов, у человека в том числе. «Часовые» гены млекопитающих и дрозофилы гомологичны, а вот у растений гены другие, но взаимодействуют по тому же принципу. Исключение из общего правила представляют цианобактерии: их циркадианный осциллятор зависит не от транскрипции, а от фосфорилирования белков. Интересно, что в эритроцитах человека (зрелые эритроциты лишены ядер и ДНК, их иногда невежливо называют «мешками с гемоглобином», соответственно никакой транскрипции в них не может быть) есть система осцилляции, основанная на окислительно-восстановительных циклах пероксиредоксинов, антиоксидантных ферментов. И эти циклы даже регулируются внешними сигналами, например температурными.
Не надо забывать и о регуляции на высших уровнях. Дрозофила маленькая, а человека изнутри солнцем не очень-то подсветишь; «я думаю: внутри у нас черно». Главные часы у млекопитающих находятся в супразхиазматическом ядре (СХЯ) гипоталамуса. Сетчатка глаза передает СХЯ информацию об освещенности, синхронизируя с солнцем часы его нейронов. А по команде СХЯ регулируются часы всего организма через гуморальные факторы (про гормон мелатонин слышали все) и периферическую нервную систему. По образному выражению профессора Каролинского института Карлоса Ибаньеса, автора научно-популярного рассказа об открытиях Холла, Розбаша и Янга, размещенного на нобелевском сайте, «циркадная система животного больше похожа на магазин часов, чем на единственные часы». Если можно себе представить магазин, в котором каждое утро время на всех часах выставляют по одним, самым правильным, но многие часы при этом еще и подводятся индивидуально...
 |
|
Суточные изменения в физиологии человека |
Действительно, есть данные, что периферические часы могут корректировать свое время по внешним факторам, таким как физическая активность, температура воздуха или питание. (И когда бабушка будит внука зимой в школу и дает ему кусочек яблока «для проснутия» — это не баловство, а глубокое понимание физиологии человека.) Периферические часы, в свою очередь, регулируют обмен жиров и глюкозы, высвобождение гормонов, а эти сигналы воспринимает СХЯ. Циркадные часы влияют на наше поведение, а управляя своим поведением, мы помогаем сами себе взбодриться или уснуть... В общем, наше времяощущение держится на многих контурах обратной связи.
Могут ли мутации в часовых генах сделать нас совами или жаворонками? Могут, но такие случаи, по-видимому, встречаются куда реже, чем привычка к тому или иному режиму, созданная воспитанием или разгильдяйством. Описан, например, семейный синдром раннего засыпания — аdvanced sleep phase syndrome (ASPS). Такие люди ложатся спать засветло и просыпаются затемно. Этот синдром бывает наследственным, и причиной его могут быть мутации в гене hРer2 («Science», 2001, 291, 1040—1043; буква h в названии гена происходит от human). А семейный синдром позднего засыпания, delayed sleep-phase syndrome (DSPS), когда прирожденная «сова» засыпает в три часа ночи и не может проснуться утром, связывают с геном hPer3, а теперь еще и с Cry1, что опять-таки показала группа Янга («Cell», 2017, 169, 203—215.e213. Найден даже ген BHLHE41, он же DEC2, точечная мутация в котором коррелирует с фенотипом короткого сна. Людям и мышам — носителям такой мутации — нужно меньше времени, чтобы выспаться.
Что касается связи между биологическими часами и здоровьем — они многообразны. Нарушения циркадных ритмов вызывают не только расстройства сна (что очевидно), но и депрессию, биполярные расстройства, нарушения памяти. А хроническое несоответствие стиля жизни показаниям наших внутренних часов может приводить к тяжелым болезням, включая рак, метаболические расстройства и нейродегенеративные заболевания. Предполагается, что исследования циркадных генов помогут современным людям найти более деликатные «отвертки» для наших часиков, чем мелатонин, бензодиазепины и кофеин во всех видах, и научиться гармонично сочетать работу с отдыхом.
Всем спокойного сна!