У животных с большой долей растительной пищи регуляторы биологических ритмов подстраиваются под изменения в пищевых жирах.
Биологическими ритмами называют периодические изменения в активности генов, в биохимии, в физиологии и поведении; хотя для нас наиболее очевидно эти ритмы проявляются в регулярном желании поспать. Управляет ими молекулярно-генетический механизм, за расшифровку которого в 2017 году дали Нобелевскую премию.
Один из главных «часовых» генов – ген Per. Белка, который он кодирует, ночью становится больше, а днём меньше. Белок PER влияет на активность других генов, соответственно, вместе с колебаниями PER колеблются и они. Активность PER зависит от белков-помощников, которые контролируют точность хода биологических часов. Суточные ритмы зависят от смены дня и ночи, и специальные механизмы помогают молекулярно-генетическому часовому аппарату быть в курсе, светло ли вокруг нас и насколько светло.
Здесь нельзя не вспомнить, что кроме суточных ритмов, есть сезонные. Поведение множества животных в разное время года отличается, многие вообще впадают в зимнюю или летнюю спячку. Суточные ритмы должны быть связаны с сезонными ритмами; в конце концов, продолжительность дня и ночи у нас в течение года ощутимо меняется. Смена зимы, весны, лета и осени – это не только изменение продолжительности светового дня. Это ещё и изменения в температуре, и изменения в еде. А про ген Per (точнее, Per2, если говорить о зверях) в какой-то момент стало известно, что он участвует не только в управлении суточными ритмами, но и в метаболизме липидов.
Сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Франциско в своих прошлых исследованиях выяснили, что работа белка PER2 зависит от химической модификации одной из его аминокислот. Эта модификация (фосфорилирование – присоединение остатка фосфорной кислоты) сдвигает границу между днём и ночью, которую PER2 задаёт для управляемых им генов. В то же время модификация на PER2 зависит от механизмов, отслеживающих характер питания, состав разных питательных соединений в еде.
В своих новых экспериментах исследователи решили выяснить, как на суточные ритмы влияют одновременно разная освещённость и разная еда. Лабораторные мыши жили в разном режиме дня и ночи: либо свет и темнота продолжались по 12 часов, либо на свет приходилось 20 часов (что соответствовало долгому летнему дню), либо 20 часов приходилось на темноту (что соответствовало долгой зимней ночи). Кормили их либо высококалорийной едой, либо малокалорийной; калорийность меняли жирами. В статье в Science говорится, что мыши, евшие много жирного, плохо адаптировались к долгой ночи. Ночь для мышей – время активности, и когда тёмное время суток удлинялось, они начинали запаздывать с активностью на пару-тройку часов. Но при этом они легко адаптировались к режиму, когда увеличивался «день». У мышей, которых ограничивали в калориях, всё происходило наоборот.
Жирная еда усиливала модификацию белка PER2 в гипоталамусе, который имеет отношение к самым разным физиологическим процессам, в том числе к питанию и суточным ритмам. Если PER2 мутировали, чтобы он не мог получить эту модификацию, то тогда мыши входили в зимнее расписание, как обычно, даже если их держали на высококалорийном жирном корме. Сильное голодание действовало наоборот: с PER2 уходила модификация, и в обратную сторону менялась поведенческая реакция на сдвигающиеся границы дня и ночи. То есть особенности рациона явно влияли на биологические часы в смысле их сезонности, и влияние это опиралось на известную модификацию одного из главных «часовых» белков.
Изменения в еде сопровождались изменениями в активности генов, которые работают с полиненасыщенными жирными кислотами, получая от них определённые сигнальные молекулы. Тогда исследователи стали искусственно менять пропорцию полиненасыщенных и мононенасыщенных жирных кислот в мышиной еде. Оказалось, что мышам, которые едят корм с большим количеством полиненасыщенных жирных кислот, проще перейти на летнее расписание, но труднее перейти на зимнее, и это связано всё с той же модификацией PER2.
Соотношение поли- и мононенасыщенных жирных кислот меняется не только в лабораторном корме волею экспериментаторов. К лету насыщенность жирных кислот повышается у растений, то есть более ненасыщенных жирных кислот в них становится меньше, а менее ненасыщенных жирных кислот в них становится больше. Осенью картина меняется: растения повышают ненасыщенность жирных кислот – во всяком случае, те, которые растут в умеренных широтах и вынуждены терпеть сезонные перемены климата. Ненасыщенные жирные кислоты благодаря своим физико-химическим особенностям более удобны в холода; так, чем более ненасыщенные жирные кислоты встраиваются в клеточную мембрану, тем лучше мембрана сохраняет пластичность и подвижность при низких температурах.
Животные, которые едят растительную пищу, осенью начинают съедать много полиненасыщенных жирных кислот, которые через модификации PER2 помогают организму настроиться на новый световой день. Кто-то потом впадёт в спячку, кто-то будет активен всю зиму, кто-то ведёт ночной образ жизни, кто-то дневной, кто-то сумеречный, но так или иначе, всем нужно свой образ жизни соотносить со сменой времён года. Разумеется, продолжительность светового дня работает тут и сама по себе, но перемены в питательных веществах тоже могут играть не последнюю роль – во всяком случае, у тех видов, которые едят достаточно много растительной пищи.
Здесь было бы интересно узнать, насколько наши, человеческие часы зависят от регуляции разными жирными кислотами, и зависят ли вообще. Можно вспомнить, что про полиненасыщенные жирные кислоты нередко говорят, что они – непременное условие здорового питания. Но тут, вероятно, нужно разделять полиненасыщенные, мононенасыщенные и насыщенные жирные кислоты, которые сами по себе делятся на разные группы с разными эффектами. О каких-то практических рекомендациях насчёт рациона, которые помогли бы приспособиться к смене времён года, тут говорить пока что рано. Да и не очень понятно, какие рекомендации тут могут быть, всё-таки в своём нынешнем виде человек не очень похож на животное с ярко выраженными сезонными изменениями активности.
Автор: Кирилл Стасевич