Белки и геныИзучение циркадных ритмов и биочасов продвигалось медленно, пока на помощь ученым не пришли методы, предвосхитившие начало геномного миллениума. Сегодня мы знаем, что каждый нейрон СХЯ — миниатюрные часы, отсчитывающие суточный ритм, и все эти тысячи часов работают в унисон, заставляя подчиняться себе остальные системы организма. Однако надо понимать, что нервный импульс представляет собой финальное крещендо длительных процессов, разворачивающихся в нейроне. Чтобы понять, что это за процессы, придется спуститься с клеточного на генный уровень. О генах биологических часов «Химия и жизнь» уже писала («В мастерской Слепого Часовщика», 2000, № 2), но полезно будет рассказать эту историю еще раз, тем более что за десять лет добавились новые подробности.

Первые значимые открытия и тут были сделаны на любимом объекте генетиков — дрозофиле. Плодовую мушку просто содержать в лаборатории, одно поколение дрозофил сменяется за десять дней, и поэтому можно работать сравнительно быстро. На ней были хорошо отработаны методы мутагенеза и отбора мутаций, а кроме того, хотя человек и дрозофила не очень похожи друг на друга, многие наши гены имеют структурное и функциональное сходство. И активность мушки меняется в течение суток, так что по ее поведению можно судить об эффекте мутации. Хотя вся нервная система дрозофилы — это примерно сотня тысяч клеток, но и у неепозади глаз есть группа из 140—150 нейронов, ответственная за суточный ритм.

В 60-е — начале 70-х годов изучением генетики поведения дрозофилы занимался Сеймур Бензер в Калифорнийском технологическом институте. Рональд Конопка, один из его студентов, обнаружил первый ген циркадного ритма дрозофилы, локализованный в Х-хромосоме. Ген получил название period, или per. (Белок, кодируемый этим геном, соответственно назвали PER.)

Ученые нашли три мутантных аллеля per, помимо нормального «дикого типа». С одним суточный цикл мушки укорачивался до 19 часов, с другим — удлинялся до 29 часов, носители третьего вообще «часов не наблюдали» — периоды покоя и активности у них имели случайную продолжительность. Похоже было, что ученые добрались до одной из главных пружин часового механизма.

Ген period клонировали и секвенировали в 1984 году Майкл Розбаш и Джеффри Холл, а также Майкл Янг в Рокфеллеровском университете. Розбаш с коллегами также заметили, что концентрация матричной РНК (мРНК) гена per возрастает и убывает в течение суток. У мутантов эти колебания ускорялись или замедлялись. В 90-е годы были открыты новые детали механизма — гены timeless, сокращенно tim, doubletime (группа Янга), а также Clock, cycle и cryptochrome (группа Розбаша).

Какие непростые отношения связывают эти гены и их продукты, читатель узнает (или вспомнит). Продукты генов Clock и cycle — факторы транскрипции period и timeless, то есть белки, регулирующие синтез мРНК этих генов. Молекулы матричной РНК синтезируются, понятно, в ядре, где находится ДНК, а затем выходят в цитоплазму — там они становятся матрицами для синтеза белков PER и TIM. Эти белки соединяются, образуя гетеродимер (молекулу из двух неодинаковых субъединиц). С приближением вечера этот гетеродимер входит в ядро и выключает там синтез мРНК с генов Clock и cycle — а тем самым и белков CLK и CYC, а значит, и собственных мРНК. Концентрации PER и TIM, все это время нараставшие, начинают падать, наконец, становится мало «выключателя» - гетеродимера PER:TIM, и снова активируются Clock и cycle. Круг замкнулся, начался новый день. А почему, собственно, концентрации PER и TIM падают? За это отвечают другие упомянутые выше гены и их белки.

Известно, что деградация белка TIM быстрее идет на свету. Точнее, светом активируется продукт гена cryptochrome, белок CRY. Криптохромы — это флавопротеины (то есть белки, содержащие рибофлавиновые производные нуклеиновых кислот), чувствительные к голубому свету. Теперь известно, что криптохромы участвуют в регуляции циркадных ритмов и у растений, и у животных (а кроме того, отвечают за чувствительность к магнитному полю у некоторых видов, но это совсем другая история). И вот этот криптохром ранним утром взаимодействует с TIM и обрекает его на быстрый распад. А поскольку TIM стабилизирует своего соседа PER, тот тоже распадается. Продукт гена doubletime (DBT), видимо, фосфори- лирует PER (то есть прицепляет к нему фосфатную группу) и тем самым еще ускоряет его деградацию.

Важный вопрос — какие молекулярные механизмы обеспечивают связь между световым сигналом (высшие организмы, как известно, воспринимают его глазами, а отнюдь не каждой клеткой тела) и генами биологических часов? До недавнего времени считалось, что фототрансдукция — превращение светового сигнала в электрический, передаваемый по нейронам, — может осуществляться только в сетчатке глаза и только через посредство ретиналя, активного компонента родопсина.

Ученые из Калифорнийского университета в Ирвине выяснили, что такой же способностью обладает белок CRY, причем он задействует механизм, не- зависимый от TIM и PER («Science», 2011, т. 331, № 6023, с.1409—1413). Если нейрон, в котором экспрессируется CRY (а это, например, нейрон-ритмоводители биологических часов дрозофилы), осветить голубым светом, длина волны которого соответствует чувствительности CRY, то запускается сложный каскад реакций с участием калиевых мембранных каналов и генерируется потенциал действия — нейрон под прямым воздействием света дает электрический сигнал. Контрольные опыты показали, что с опсином, зрительным пигментом дрозофилы, эта реакция никак не связана. А вот если в эксперименте заставить синтезировать CRY другие нейроны, ранее не обладавшие светочувствительностью, то они тоже начинают генерировать сигналы в ответ на вспышки света.

Стоит еще назвать ген pdf, не имеющий никакого отношения к формату электронных документов. Продукт этого гена, пептид (то есть короткий белок) под названием pigment dispersing factor, видимо, отвечает не только за распределение пигмента, но и за связь между «часами» дрозофилы и другими участками ее нервной системы — то есть именно он передает приказы от «часов» всему организму. Здесь перечислены не все гены дрозофилы, чья роль в поддержании циркадного ритма известна к настоящему времени. И та картина, которая известна ученым, тоже, безусловно, не полна.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+