Генетика циркадных часов

Тело человека состоит из миллионов клеток, специализированных по месту их расположения: разные клетки составляют разные части тела – от пальцев ног до головного мозга. При этом каждая из миллионов специализированных клеток содержит один и тот же геном, или всю наследственную информацию, полученную нами от родителей. Эта информация зашифрована в нашей ДНК, отдельные сегменты которой, являющиеся носителями данной информации, называются генами. Одни гены формируют наши видимые черты, такие как цвет глаз. От других зависят наши биологические характеристики, такие как группа крови и предрасположенность к отдельным заболеваниям, а также тысячи биохимических процессов, включая работу циркадных часов.

Эти процессы осуществляются разными видами белков. Одни белки называются ферментами и работают как строительные инструменты (дрель, молоток, стамеска и т. д.). Внутри каждой клетки ферменты занимаются множеством разных дел, например таких, как производство холестерина и расщепление жиров. Вторые белки служат структурными элементами клеток, как части вашего дома (стены, двери и т. д.). Третьи белки, мелкие, действуют как гормоны (хотя не все гормоны являются мелкими белками) – химические сигнальные вещества, контролирующие функции органов. Одни белки живут долго, в то время как у других продолжительность жизни невелика.

Состояние здоровья наших органов и развитие тех или иных заболеваний зависят от наличия у нас определенных генов и уровня их экспрессии: от того, включен ли конкретный ген и является ли он нормальным. Например, вы когда-нибудь замечали, что некоторые люди могут есть все, что хотят, в то время как другие жалуются, что некоторые продукты, чаще всего молочные, вызывают у них симптомы нарушения пищеварительных процессов, такие как газы, вздутие живота или запор. Причиной этого состояния становится мутация гена, помогающего расщеплять молоко и усваивать содержащиеся в нем питательные вещества.

Сравнивая гены-мутанты с нормальными, можно многое узнать о том, как должны работать гены, и о последствиях любых аномалий. Например, чтобы понять, как работают наши циркадные часы, ученые наблюдали за поведением животных-мутантов, чьи часы слишком спешили или отставали. В 1971 году американские генетики, профессор Калифорнийского технологического института Сеймур Бензер и аспирант Рон Конопка, взяли тысячи плодовых мушек дрозофил и занялись изучением их поведения в условиях индивидуальной изоляции и постоянной темноты. Молодые мушки обычно проявляют активность на рассвете и в сумерках, отдыхают днем и спят ночью. Даже в постоянной темноте плодовые мушки продолжали следовать этому ритму, который примерно равен 24 часам. Бензер и Конопка создали несколько поистине уникальных инструментов, позволивших следить за временем засыпания и пробуждения новорожденных мушек даже в полной темноте. Воспользовавшись методом мутационного скрининга, они выявили три типа мушек-мутантов: у одних этот ритм был укорочен, у других удлинен, а у третьих вообще отсутствовал1. Кроме того, они обнаружили, что эти аномалии в работе циркадных часов у мушек-мутантов передавались по наследству, то есть имели генетический компонент. Далее было установлено, что та же самая мутация изменяла время откладывания мушками яиц. Это означало, что у плодовых мушек есть только одни внутренние часы, которые контролируются одним геном. Бензер и Конопка дали этому гену название Period (для краткости – Per).

Процесс научного исследования очень похож на расследование преступления. По нескольким ключевым особенностям можно составить психологический профиль преступника, но вам могут потребоваться месяцы и даже годы, чтобы найти подозреваемого и доказать его вину. Двум независимым группам ученых потребовалось 13 лет, чтобы узнать, как в действительности выглядит ген Per у плодовых мушек. Еще несколько лет ушло на то, чтобы выяснить, как он управляет их циркадными часами.

Теперь мы знаем, что внутри каждой клетки ген Per регулярно отдает приказы на создание особого белка, процесс роста и распада которого составляет 24 часа. Этот механизм есть у каждого живого организма: было установлено, что циркадные часы тины контролируются тремя генами, а у животных и людей эту функцию выполняют больше десятка генов. Чтобы понять, как это происходит, давайте представим, что один белок – это кубик льда, который намораживает ваш холодильник. Ген Per выполняет в холодильнике функцию льдогенератора и контролирует количество кубиков, которое будет создано. Кубики льда производятся по очереди, и каждый новый кубик сбрасывается в емкость под льдогенератором. После того как собирается несколько десятков кубиков льда и емкость становится достаточно тяжелой, генератор выключается и прекращает производить лед (аналогичным образом ген Per выключается после того, как клетка создает достаточное количество белка PER).

Каждый день мы достаем все кубики льда и готовим смузи для всей семьи. Затем мы возвращаем емкость на место, и льдогенератор включается снова, чтобы возобновить производство льда. Поскольку «ген Per» в нашем холодильнике не изменяется, количество намороженных кубиков льда всегда остается одинаковым. Количество времени, которое требуется генератору, чтобы наполнить емкость льдом, и нам, чтобы ее опорожнить, тоже остается постоянным. Этот период составляет один цикл. Если полный цикл осуществляется за 24 часа, он называется циркадным.

Если бы у всех льдогенераторов циклы работы всегда были одинаковыми, то у всех нас ритмы каждого дня были бы совершенно идентичными. Проблема в том, что работа вашего льдогенератора зависит от того, как вы используете производимый лед. Если вы будете доставать лишь пару кубиков льда в день, то процесс заполнения емкости льдом станет занимать меньше времени. Если же поздно вечером, когда генератор будет производить свежие кубики, чтобы заполнить емкость, вы ее опорожните, чтобы приготовить несколько «Маргарит», то генератору не хватит времени, чтобы к утру наморозить нужное количество льда.

Еще одной проблемой является мутация, которую можно сравнить с нарушением режима работы льдогенератора. Если «ген Per» в морозильнике подвергнется мутации, то генератор будет производить лед слишком быстро или слишком медленно. У него может испортиться датчик, который определяет время отключения, и тогда генератор либо перестанет производить лед при полупустой емкости, либо продолжит работать при переполненной емкости. Неисправность генератора влияет на количество времени, которое занимает изготовление ежедневной партии кубиков льда и ее полное использование.

У каждого органа есть собственные часы

Ученые были почти полностью уверены в том, что все тело контролируется только одними часами, пока проведенный одним аспирантом эксперимент не опроверг это предположение. Джефф Платц, который поступил в аспирантуру на пару лет раньше меня, нанес на ген Per светящуюся в темноте флуоресцентную метку. Когда плодовые мушки имели доступ к достаточному количеству пищи и воды, они светились зеленым светом, интенсивность которого усиливалась и слабела в соответствии с 24-часовым ритмом даже тогда, когда их держали в полной темноте. Однажды (во время уборки в своей лаборатории) Платц расчленил несколько живых мушек, чтобы использовать их крылья, антенны, челюсти, ноги, животы и т. д. в другом эксперименте. Ему было известно, что даже после расчленения мушки отдельные ее органы сохраняют жизнеспособность в течение нескольких дней. Затем он на неделю улетел в Лас-Вегас, а когда снова вернулся в темную лабораторию, то заметил, что антенны, ноги, крылья и животы мушек, полностью отделенные от их голов, продолжали светиться с соблюдением того же ритма, что и у целых мушек. Другими словами, чтобы соблюдать 24-часовой ритм свечения и затухания, органам не требовалось соединения с головой. Этот эксперимент доказал, что у животных каждый орган имеет собственные часы и эти часы могут функционировать, не получая указаний от мозга. Журнал Science включил открытие Платца в список 10 научных прорывов 1997 года.