Так уж получилось, что на протяжении сотен тысяч лет мы живём в условиях, когда в среднем каждые 12 часов день сменяет ночь и наоборот.
А так как ключевой фактор выживания для каждого организма – это приспособление к этим самым условиям, природа просто не могла не «наградить» живые существа соответствующими механизмами, которые бы помогали им комфортно себя чувствовать и плодить себе подобных. И таким полезным «подарком» эволюции стали внутренние часы или, по-другому, циркадные (циркадианные) ритмы, за открытие молекулярных основ которых в 2017 года присудили Нобелевскую премию в области физиологии или медицины.
Разумеется, «идут» часы у, скажем, белого полярного медведя или коалы очень по-разному, и тем не менее представляют собой универсальный молекулярный инструмент, характерный вообще для всех живых существ, начиная от древнейших цианобактерий и заканчивая «венцами творения». Такие дневные и ночные циклы помогают им оптимизировать свой метаболизм и своё поведение так, чтобы время их максимальной активности оборачивалось для них максимальной пользой. С латыни «circa» переводится как «вокруг», а «dies» — «день».
Так и получается, что мы живем и функционируем «вокруг дня», а ночью наша активность в основном уходит на спад. Вся эта система состоит из трёх основных компонентов: автономного 24-часового генератора ритма или осциллятора, механизмов, которые связывают этот генератор с внешними стимулами (секундомеры; например, свет), и выводных «устройств», которые, основываясь на показателях первых двух блоков, обеспечивают своевременное планирование физиологических процессов.
От мимозы до мутантов
Вся эта часовая история началась ещё с походов Александра Македонского (описание изменения положения листьев в течение дня у индийского фикуса встречаем у , но первое научное описание получила реакция листьев мимозы, которые закрывались ночью и открывались в течение дня. А внимательным свидетелем этого явления стал француз Жан Жак д’Ортус де Меран в 1729 году, на минуточку – астроном (он, кстати, открыл знаменитую эмиссионную туманность М43 в созвездии Ориона). Меран решил проверить, так ли хорошо растение будет реагировать на смену дня и ночи в полной темноте, и впервые убедился, что причина феномена действительно «зашита» внутри, в генах.
О генах, правда, стало известно гораздо позже, а перед этим был ещё пионер в изучении циркадных ритмов, немецкий физик-физиолог Эрвин Бюннинг, который изучал движения листьев бобовых, связывая их со специальным прибором – кимографом, при постоянном освещении и в нормальных природных условиях. И снова ритм сохранялся, из чего следовал вопрос: правда ли это какие-то внутренние механизмы или всё-таки наблюдаемая реакция – простое следствие внешнего суточного раздражения?
Собственно, это и обсуждалось до того, пока в XX веке наука не узнала о наследственности. Впрочем, последнее доказательство того, что циркадные ритмы – действительно внутреннее дело живого организма – пришло только в 1984 году. Тогда на орбиту отправили грибы Neurospora crassa, которые никак не меняли ритмы и в условиях полуторачасовых суток. А, значит, дело не только не в свете, но и ни в каких других геофизических сигналах (мало ли что на Земле еще меняется со сменой дня и ночи).
С течением времени наследование циркадных ритмов стало рассматриваться как продукт естественного отбора, и об этом говорили многие эксперименты. Даже после того, как родительские растения подвергались воздействию нециклического света, у потомков ритм сохранялся, а при скрещивании растений с разными периодами получались организмы промежуточные. К середине 1960-х годов наконец набралось целое сообщество хронобиологов, изучающих биологические часы, и они доказали, что здесь стоит рассматривать именно генетическую концепцию.
Примерно в это же время американцы Сеймур Бензер и его ученик Рональд Конопка, работавшие в Калифорнийском технологическом институте, приступили к поискам мутантных плодовых мушек с изменёнными циркадными фенотипами. В отличие от некоторых генетиков и этологов того времени, Бензер твёрдо верил, что на конкретное поведение может влиять действие отдельных генов и что это можно продемонстрировать, изолируя организмы с изменённым поведением, несущие мутации в отдельных генах.
Таким образом с помощью химического мутагенеза Бензер и Конопка выделили три разных штамма мух, демонстрируя изменения в их нормальной 24-часовой активности. Создав мутантов трёх видов (аритмичный, с 19- и 28-часовым ритмами), учёные определили, что поломанный ген находился в одной и той же Х-хромосоме, и назвали его «период». Все предположения о различиях в часах, основанных на тех или иных манипуляциях с этим геном, в итоге подтвердились.
Продолжил работать над этой темой только Конопка. Он хотел получить более точную информацию о работе всей системы, но ни оригинальная генетическая идентификация периода, ни клонирование и секвенирование его кДНК не давали представление о молекулярном механизме биологического циферблата. Увы, ни Бензер, ни Конопка до Нобелевской премии не дожили. Первый скончался в 2007 году (впрочем, в 2004 году он получил премию Грубера по нейронаукам, что в денежном исчислении даже больше трети «нобелевки»), второй – в 2015.
В поисках обратной связи
А когда что-то неизвестно, возникает множество теорий. Например, модель «мембранного градиента» предполагала, что белок PER, кодируемый геном period, работает как насос для создания градиента через мембрану и, достигнув порога, рассеивается через светочувствительные каналы. Согласно другой теории, PER считался протеогликаном (смесь белка и углеводов), который объединяет клетки, тем самым облегчая образование межклеточных соединений через щелевидные контакты. Наконец, в лаборатории нынешних нобелиатов – американцев Джеффри Холла и Майкла Росбаша – для прояснения ситуации применили иммунологические принципы и создали PER-антитела, которые выявили белок PER в изобилии в нейронах головного мозга мух-дрозофил (снова эти дрозофилы!) с пиком в течение ночи.
Дальше обнаружилось, что циклы PER появляются в результате циклического производства мРНК гена period, которой становится меньше, когда концентрация белка повышается. Так родилась отрицательная модель авторегуляторной обратной связи. Как итог, выяснили, что PER – это ещё и ядерный протеин. Но вот как он оказывался в ядре, история пока умалчивала.
Здесь появился третий нобелиат – тоже американец Майкл Янг, который нашёл дополнительный ген timeless. В его лаборатории выяснили, что уровни мРНК этого гена также циклически повторяются каждые 24 часа, а белок TIM напрямую связывается с PER, помогая ему проникнуть в ядро и блокируя его деградацию. Так циркадный механизм самоподдерживающейся транскрипционно-трансляционной петлей обратной связи (Transcription Translation Negative Feedback Loop, TTFL), стал новой парадигмой.
И снова остались белые пятна – осталось непонятным, как именно запускалась транскрипция периода. Но проблему решили открытые в 1998 году гены clock и cycle. Их продукты – белки CLOCK (CLK) и CYCLE (CYC) –взаимодействуют друг с другом и содержат специфические молекулярные участки (bHLH), связывающиеся в определённых местах с генами period and timeless, тем самым положительно регулируя их транскрипцию. В последующих исследованиях показано, что TIM и PER действуют в качестве отрицательных регуляторов активности CLK, и поэтому петля обратной связи наконец закрылась.
Современные же рабочие модели биологических часов очень сложны и включают в себя множество дополнительных компонентов, которые вместе поддерживают периодичность всех процессов и устойчивость механизма. Постоянная сборка/разборка компонентов TTFL позволяет практически всегда стабильно сохранять 24-часовой ритм.
Дополнительные белки связывают этот процесс с внешней средой, как, например, свет активизирует продукт гена cry (белок CRY), который связывается с TIM и его разрушает. Соответственно, утром PER, оставшийся без своего «товарища», тоже быстро инактивируется и деградирует.
Организмом правят ритмы
Циркадная программа воплощается на всех уровнях. У млекопитающих центральный «генератор» находится в супрахиазматическом ядре (SCN, другое название — надперекрёстное ядро) гипоталамуса, куда сетчатка передает зашифрованный в потенциале действия фотосигнал. Отсюда посредством гуморальной регуляции информация передается в тело. Но вот незадача: способностью поддерживать свой ритм обладают многие клетки и ткани, что доказано в том числе и на культурах. Как же эти многочисленные часы синхронизируются по единому («московскому») времени?
Да очень просто – с помощью режима питания, физической активности и температуры. Тканевые ритмы держат под контролем производство глюкозы, хранение жировых запасов и высвобождение определённых гормонов. Они, в свою очередь, функционируют как контрольное время, в конечном итоге возвращая сигнал к SCN. Получается, что циркадная система организма – это целая сеть взаимосвязанных генераторов и петель обратной связи. И сейчас отношение между центральными и периферическими часами, а также методы воздействия на них активно исследуются.
При таком раскладе нет сомнений в том, что биоритмы теснейшим образом связаны с нашим самочувствием. Сон, пищевое поведение, синтез гормонов, артериальное давление и температура тела – вот далеко не полный список всех их «сфер влияния». Нарушения в них могут приводить к психическим и неврологическим расстройствам, когнитивным дисфункциям и серьёзным соматическим заболеваниям типа сахарного диабета. Они могут влиять даже на наш микробиом.
Хроническая же рассинхронизация между нашим образом жизни и внутренними часами связана с повышенным риском различных заболеваний, включая нейродегенерации, нарушения обмена веществ, активацию хронической воспалительной реакции, снижение иммунитета и значительные кардиологические проблемы. В связи с этим создаются и методы «настройки» (поведенческие, фармакологические) ритмов, например, при джетлаге, а также новые способы лечения расстройств, связанных с их «поломкой».
Именно поэтому премия 2017 года как нельзя более точно соответствует воле самого Альфреда Нобеля, который завещал присуждать денежное вознаграждение именно тем, кто «принёс наибольшую пользу человечеству».
Текст: Анна Хоружая