Відомо, що біохімічні процеси в клітині синхронізуються і впорядковуються, звіряючись з генними годинами: спеціальні «вартові гени» задають ритмічність процесів життєдіяльності з періодом в 24 години. Але виявилося, що і без таких генних механізмів у клітці підтримується циклічна динаміка біохімічних процесів. І період цих циклів також становить 24 години. Біохімічні годинник виявлені і в одноклітинних тварин, і в клітинах людських тканин. Ймовірно, біохімічні осциляції самі по собі здатні підтримувати організуючу ритмічність. Відкритий тип внутрішнього біологічного годинника є абсолютно новою сторінкою в дослідженні еволюції циркадних механізмів.

Ми розуміємо, що будь-який динамічний процес має протяжністю, тобто відраховує свій внутрішній час. Я не буду займатися спекуляціями щодо визначення поняття «часу», але зазначу, що наше біологічні час визначається декількома способами. Ми користуємося еволюційним часом, вимірюваним щодо геологічних процесів нашої планети, ми користуємося історичним часом – це століття і роки, тобто час астрономічне, час обертання Землі навколо Сонця; в повсякденності нас влаштовують години, хвилини і секунди – частки астрономічного часу, що наведені у відповідність з електричними ритмами, наприклад, кварцу, або навіть атомний годинник, що задають мільйонні частки секунд за рахунок власних молекулярних коливань.

Наше тіло живе у злагоді зі своїм біологічним часом, який залежить від числа клітинних поділів та дуплікацій хромосом в клітинах; біологічний час поділено на свої «години та хвилини», зумовлені зовнішніми ритмами: зміною дня і ночі або температурними ритмами і т. д. Є спеціальні механізми синхронізації біологічного часу з зовнішніми ритмами, записані для зручності в генах. Але, крім того, є ще й «біохімічне час» – час, визначений перебігом біохімічних процесів. Воно має вельми високий дозвіл в порівнянні з біологічними годинами і хвилинами. Відповідно, необхідний якийсь диригент, який би цей біохімічний хаос організував у злагоджений оркестр, задовольняє запити «повільного» тіла. Ясно, що вимоги до диригента пред'являються високі – він повинен уміти встежити і за біохімічним часом (власне, все визначається біохімією, але тут я вживаю це найменування в сенсі процесів, що відбуваються в цитоплазмі клітини, а не в ядрі, тобто не пов'язаних з генами ), і за тілесним.

Вважалося, що роль такого диригента виконує набір годинних генів. Для організації генних годин необхідно налагодити петлю зворотного зв'язку: експресія гена призводить до виробкие ферменту, інгібуючої його роботу. У результаті виробництво цього ферменту припиняється, накопичений його запас розпадається, заборона на роботу гена знімається і ген знову починає виробництво інгібітору. У дійсності, таких годинних генів не один, а багато, і їхнє завдання – синхронізувати роботу біохімічного апарату всередині себе і в злагоді із зовнішніми ритмам. Тут зазначу, що гени, задіяні в організації внутрішнього годинника, не гомологічних у різних груп живих організмів.

Однак генний метроном не володіє достатнім дозволом для організації ансамблів біохімічних реакцій: його тимчасової масштаб – годинник і добу. Тут потрібен кандидат зі світу біохімії. До теперішнього часу таких кандидатів не було відомо, розшифровці піддавалися в основному генні механізми підтримки синхронності і ритмічності процесів життєдіяльності. Але деякі дані говорили про те, що невидимий біохімічний диригент (або декілька) у клітині все ж таки працює, добові ритми підтримуються і в тому випадку, якщо гени не зчитуються і не транслюються. Це показало, наприклад, недавнє дослідження виділених ціанобактеріальних білків, що підтримують ритмічну роботу в пробірці (див. M. Nakajima, et al. Reconstitution of Circadian Oscillation of Cyanobacterial KaiC Phosphorylation in Vitro / / Science. V. 308. P. 414-415. 15 April 2005). Так що це за біохімічний метроном?

Його дослідженню присвячені дві нові роботи, виконані англійськими та французькими вченими під керівництвом Джона О'Ніла, що представляє Кембриджський університет і Единбурзького центру системної біології. В обох показано підтримку добових ритмів без зовнішньої стимуляції і при зупинці транскрипції ядерних генів. Друга умова покликане довести наявність природного ритму, не залежного від генетичного змісту.

Створити в лабораторії умови, в яких відсутні зовнішні стимули, нескладно: задати постійну температуру та освітлення – ось і вся хитрість.

Найважче зупинити транскрипцію годинних генів. Але і тут вчені знайшли вихід. У першому випадку, працюючи з одноклітинної зеленої водорості Ostreococcus tauri, вони зупинили транскрипцію за допомогою спеціальних фармакологічних інгібіторів. У другому випадку вони вибрали такий об'єкт для досліджень, в якому ніякої транскрипції і не передбачалося, – зрілі еритроцити людини. Як відомо, в еритроцитах людини клітинного ядра немає взагалі, а значить, і транскрипції ядерних генів теж немає.

Перша серія експериментів базувалася на вивченні штучної (генно-інженерного походження) біолюмінесценції зеленої водорості Ostreococcus. Вироблення біолюмінесцентних білків у цієї водорості була пов'язана з експресією циркадного гена CCA1 (цей ген у водорості багато в чому спільний з вищими рослинами, а активніцентри у них взагалі ідентичні). Це означає, що інтенсивність світіння клітин вкаже на активність гена CCA1. Така генно-інженерна клітина надзвичайно зручна для вивчення циркадних механізмів – немає потреби робити множинні серії культур і вбивати частина з них по ходу експерименту; крім того, відстежувати роботу гена набагато легше – це можна робити буквально на-віч.

Якщо підготовлену біолюмінесцентних водорість витримувати на постійному світла, то ритмічне світіння через 36 годин зупиняється.

Природно, те ж саме виходить і при дотриманні клітин в темряві: клітини перестають світитися теж через 36 годин. А тепер клітини з темряви знову винесли на світло – ритмічна біолюмінесценція поновлюється. Але важлива особливість нових ритмів в тому, що вони мають власну фазу коливань. Коли б не виставили на світ водоростеві культуру, світіння стартує начебто з урахуванням колишньої ритміки. Схоже, що внутрішній ритм підтримувався і тоді, коли вартові гени CCA1 припинили працювати. Також елементи внутрішньої активності годин виявилися і при зупинці транскрипції і трансляції спеціальними хімікатами: транскрипція зупинялася кордіцепіном (cordycepin), трансляція – циклогексимід (cycloheximide). Якщо ввести в культуру ці хімікати, а потім відмити клітини від них (клітини зручно прилипають до дна чашки Петрі, так що хімікати видаляються, а клітини залишаються), то світіння буде відновлюватися. Але фаза ритмів знову ненапрямую залежить від часу припинення дії хімікатів, вказуючи на існування біохімічних ритмів.

Наявність внутрішніх циркадних ритмів, що не залежать від ядерних генів, вдалося підтвердити безпосередньо. Для цього в експерименті з придушенням транскрипції і трансляції відстежували динаміку інших цитоплазматичних маркерів. Ясно, що біолюмінесценція, пов'язана з генами, зупинилася.

Зате знайшлися інші речовини, які в цих умовах зберігали ритмічну динаміку біохімічних переходів одних своїх форм в інші. Мова йде про пероксіредоксінах (peroxiredoxin). Це дуже широко поширені ферменти, які беруть участь у відновленні перекисних залишків.

У результаті реакцій відновлення самі пероксіредоксіни утворюють димери – саме їх і відстежували в ході експерименту з Ostreococcus, оцінюючи рівень активності пероксіредоксінов. Виявилося, що активність пероксіредоксінов в постійних умовах і при непрацюючих генах зберігає циклічність з періодом в 24 години.

Інша серія експериментів була пов'язана з вивченням динаміки біохімічних процесів в еритроцитах. Еритроцити, червоні клітини крові людини, очевидно, функціонують поза прямій залежності від освітленості. Тому для встановлення клітинних ритмів пРепарати витримували в постійних температурних умовах і в темряві. У цих клітин немає ядра, отже немає генетичної регуляції циркадних ритмів. Якщо при цьому врахувати, що клітини культивували в штучної хімічної середовищі, то будь-яка виявлена біохімічна ритмічність може бути віднесена тільки на рахунок негенетических, або біохімічних, механізмів.

Англійські вчені (а в цьому дослідженні брали участь тільки фахівці з Кембріджа) відстежили періодичність окислених і відновлених формах пероксіредоксінов. Ритм змін склав 24 години. Якщо в експерименті задати циклічну зміну температури (вважалося, що для еритроцитів циркадних стимулами є утренне-вечірні коливання температури тіла), то ритми пероксіредоксінов зсуваються у відповідності із заданою температурної ритмічністю. Добова ритміка простежується і для інших компонентів еритроцитів – НАДФН / НАДН, ді-і тетрамеров гемоглобіну.

Таким чином, пероксіредоксіни демонструють добову ритмічність відновлювальної активності і в одноклітинних зелених водоростей, і в людських клітинах. Можливо, що негенние механізми підтримки добової ритміки взагалі більш одноманітні, ніж генні – адже пероксіредоксіни є і у рослин, і в тварин, і у одноклітинних водоростей, і у бактерій. І ці ферменти дуже консервативні у порівнянні з вартовими генами.

Поки не можна сказати, чи є пероксіредоксіни ключовою ланкою біохімічних годин або одним із залежних ферментів «вартових» реакцій, але так чи інакше, вони безпосередньо вказують на роботу таких реакцій. Автори дослідження припускають, що саме подібні до них речовини і були найпершим хронометром для живих організмів на нашій планеті. Вони могли організовувати злагоджену роботу багатьох біохімічних шляхів, а генні механізми поступово підлаштовуватися до заданої біохімічної ритміці, в кожній групі тварин з урахуванням власних потреб та життєвих циклів.

За матеріалами: elementy.ru

Tweet

РОЗРОБКА ВЕБ-САЙТІВ, ПРОСУВАННЯ В ІНТЕРНЕТІ