Ген-«будильник»: как работают биологические часы

Вас никогда не удивляло, почему мы просыпаемся по утрам даже в том случае, если будильник выключен и нет никаких посторонних шумов? Изучить механизм своеобразного «чуда природы» взялись специалисты из Института Биологических Исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies). Они разобрали биологические часы по винтику и выявили совершенно новый компонент их устройства – ген, отвечающий за запуск нашего внутреннего будильника.

«Наше тело, по существу, коллекция часов», - смело заявляет Сатчиндананда Панда (Satchindananda Panda), доцент Нормативной биологической лаборатории института Солка. В сентябре этого года вместе со своими коллегами он опубликовал в журнале «Наука» доклад, в котором подробно объяснил, как именно ген KDM5A кодирует белок JARID1a, служащий коммутатором активации биохимических процессов, поддерживающих наш циркадный ритм.

Попробуем разобраться. Повседневным циклом сна и бодрствования человека управляют специальные молекулярные механизмы. Одним из центральных звеньев процесса оказался белок PERIOD (PER). Число PER-белков в любой из наших клеток ритмично поднимается и опускается каждые 24 часа. В результате уровень этого вещества используется организмом в качестве индикатора времени суток и, к слову, именно PER диктует нам, когда следует спать, а когда – бодрствовать. Количество белка поступательно увеличивается в течение дня, достигая своего пика в вечерние часы. В этот момент концентрация PERIOD в клетках так высока, что активирует работу двух генов: CLOCK и BMAL1. После этого уровень белка в организме начинает быстро снижаться. Вместе с ним замедляют свою работу и различные биологические системы: опускается кровяное давление, уменьшаются частота сердечных сокращений и активность головного мозга. До сих пор оставалось непонятным, каким образом каждое утро уровень белка вновь поднимается, активизируя работу организма. Учёные из Института Биологических Исследований Солка как раз и ответили на этот вопрос, представив на суд зрителей новый тип фермента - JARID1a. Его появление – это своеобразный «призыв горна» для клеток и органов, которые должны «проснуться» с рассветом. Плодовые мушки и мыши, клетки которых были генетически изменены таким образом, что продукция JARID1a блокировалась, в буквальном смысле теряли счёт времени: они не знали, когда спать, а когда – бодрствовать, часто и недолго дремали как днём, так и ночью. Уровень белка PER у них постоянно сохранялся на низких позициях. Таким образом, Сатчиндананда Панда и его коллеги обнаружили, что каждое утро JARID1a реактивирует гены CLOCK и BMAL1 через повышение уровня белка PER.

Научная ценность. Теперь, когда ученым удалось понять, почему мы каждый день просыпаемся, они могут продолжить свои изыскания, попытавшись вычислить роль JARID1a в нарушениях сна и возникновении хронических заболеваний. Новый ген может быть использован в качестве мишени для медицинских препаратов. Интересным представляется решение вопроса о бессоннице у пожилых людей. Очевидно, что биологические часы с возрастом «сбиваются», но механизмы этого процесса до последнего времени оставались неизученными.

Открытие фермента-активатора научно доказало: 24-часовые рабочие смены (например, у медсестёр и аварийного персонала) нарушают нормальные циклы сна и бодрствования, увеличивая риск возникновения ряда заболеваний. Дело в том, что полные метаболические клеточные циклы имеют основополагающее значение для адекватного функционирования генетических механизмов, которые контролируют, в том числе, рост и деление клеток, что особенно важно при развитии рака.

Клеточные механизмы сахарного диабета, ещё одного хронического заболевания, также связаны с метаболическими циклами и контролируются биологическими часами. Например, преобразование сахаров в жир обычно происходит у здоровых людей только в определенное время суток, а у страдающих диабетом такие трансформации, вероятно, идут в течение всего дня.

В конечном счёте, открытие JARID1a может привести к возникновению новых методов лечения бессонницы, рака, сахарного диабета и других хронических заболеваний.

По материалам сайта  http://medicalxpress.com/