Кіріспе
Күндізгі циркадтық сағат немесе циркадтық осциллятор, сондай-ақ ішкі биологиялық сағат деп аталатын биохимиялық осциллятор тұрақты фазамен циклденіп, күн уақытымен синхрондасады. Мұндай сағаттың in vivo периоды міндетті түрде дерлік 24 сағатқа тең болады (жердің қазіргі күндізгі уақыты). Көптеген тірі организмдерде ішкі синхронды циркадтық сағаттар организмге күндізгі-түндегі циклмен сәйкес келетін қоршаған ортаның күнделікті өзгерістерін болжауға және оның биологиясы мен мінез-құлқын сәйкесінше реттеуге мүмкіндік береді. «Циркадтық» термині латын тіліндегі «circa» (шамамен) және «dies» (күн) сөздерінен шыққан, себебі сыртқы факторлардың (мысалы, қоршаған ортаның жарығы) болмаған жағдайында, олар дәл 24 сағаттық циклді ұстамайды. Мысалы, тұрақты төмен жарықтағы зертхана жағдайындағы адамдардың сағаты тәулігіне шамамен 24,2 сағатты құрайды, дәл 24 сағат емес. Дене сағатының қалыпты жұмысы эндогендік периодпен дәл 24 сағатқа сәйкес келеді, ал ол қоршаған ортадан, негізінен күндізгі жарықтан және қараңғылықтан жеткілікті түзету сигналдарын алғанда синхрондалады. Циркадтық сағаттар циркадтық ырғақтарды басқаратын орталық механизмдер болып табылады. Олар үш негізгі компоненттен тұрады:
уақытты өлшейтін шамамен 24 сағаттық периодты қамтитын орталық биохимиялық осциллятор;
осы орталық осцилляторға кіретін және сағаттың синхрондалуын қамтамасыз ететін бірнеше кіріс жолдары;
биохимия, физиология және организмдегі мінез-құлықтағы ашық ырғақтарды реттейтін осциллятордың әртүрлі фазаларымен байланысты бірнеше шығыс жолдары. Сағат организм қоршаған ортаның уақыт сигналдарын сезгенде қайта орнатылады, олардың бастысы – жарық. Циркадтық осцилляторлар организм тіндерінің барлық жерінде кездеседі, олар эндогендік және сыртқы сигналдармен синхрондалады және тіндік ерекшеліктерге сәйкес күндізгі транскрипциялық белсенділікті реттейді. Циркадтық сағат жасушалық метаболизмнің көптеген процестерімен байланысты және организмнің қартаюына әсер етеді. Биологиялық сағаттың негізгі молекулалық механизмдері омыртқалы жануарлар, Drosophila melanogaster, өсімдіктер, саңырауқұлақтар, бактериялар және, болжам бойынша, Археяларда анықталды. 2017 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы Джеффри С. Холлға, Майкл Росбаш пен Майкл В. Янгқа «жеміс шыбынында циркадтық ырғақты басқаратын молекулалық механизмдерді ашқандары үшін» берілді.
A circadian clock, or circadian oscillator, also known as one’s internal alarm clock is a biochemical oscillator that cycles with a stable phase and is synchronized with solar time. Such a clock's in vivo period is necessarily almost exactly 24 hours (the earth's current solar day). In most living organisms, internally synchronized circadian clocks make it possible for the organism to anticipate daily environmental changes corresponding with the day–night cycle and adjust its biology and behavior accordingly. The term circadian derives from the Latin circa (about) dies (a day), since when taken away from external cues (such as environmental light), they do not run to exactly 24 hours. Clocks in humans in a lab in constant low light, for example, will average about 24.2 hours per day, rather than 24 hours exactly. The normal body clock oscillates with an endogenous period of exactly 24 hours, it entrains, when it receives sufficient daily corrective signals from the environment, primarily daylight and darkness. Circadian clocks are the central mechanisms that drive circadian rhythms. They consist of three major components:
a central biochemical oscillator with a period of about 24 hours that keeps time;
a series of input pathways to this central oscillator to allow entrainment of the clock;
a series of output pathways tied to distinct phases of the oscillator that regulate overt rhythms in biochemistry, physiology, and behavior throughout an organism. The clock is reset as an organism senses environmental time cues of which the primary one is light. Circadian oscillators are ubiquitous in tissues of the body where they are synchronized by both endogenous and external signals to regulate transcriptional activity throughout the day in a tissue specific manner. The circadian clock is intertwined with most cellular metabolic processes and it is affected by organism aging. The basic molecular mechanisms of the biological clock have been defined in vertebrate species, Drosophila melanogaster, plants, fungi, bacteria, and presumably also in Archaea. In 2017, the Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash and Michael W. Young "for their discoveries of molecular mechanisms controlling the circadian rhythm" in fruit flies.
Омыртқалылардың анатомиясы
Омыртқалы жануарларда негізгі циркадтық сағат 20,000 нейроннан тұратын екі жақты жүйке шоғыры – суперхиазматикалық ядрода (SCN) орналасқан. SCN өзі гипоталамуста орналасқан, бұл мидың кішкентай аймағы, ол оптикалық киазманың тікелей үстінде орналасқан, онда ол торлы қабаттағы арнайы фотосезімді ганглиондық жасушалардан ретиногипоталамус жолы арқылы сигналдар алады. SCN денені "бағынышты тербелістерді" синхрондау арқылы бақылайды, олар шамамен 24 сағаттық ырғақтарды көрсетеді және жергілікті тіндердегі циркадтық құбылыстарды реттейді. SCN жасушааралық сигнализация механизмдері арқылы, мысалы, ішектегі вазоактивті пептид арқылы, басқа гипоталамус ядроларына және қонақ безіне сигнал береді, дене температурасын және кортизол және мелатонин сияқты гормондардың өндірілуін реттейді; бұл гормондар қан айналым жүйесіне еніп, организм бойында сағатпен басқарылатын әсерлерді тудырады. Дегенмен, организмдегі тіндерде орналасқан көптеген биохимиялық сағаттарды негізгі синхронизацияға түсіретін нақты сигналдың (немесе сигналдардың) қандай екені әлі анық емес. Толығырақ ақпарат алу үшін төмендегі "циркадтық осцилляторларды реттеу" бөлімін қараңыз.
Транскрипциялық және транскрипциялық емес бақылау
Жоғары эукариоттардағы циркадтық ырғақтардың генетикалық негізін дәлелдеу 1971 жылы Рон Конопка мен Сеймур Бензердің алдын ала генетикалық скринингтерінен Дрозофила меланогастеридағы период (per) локусының табылуымен басталды. Дрозофиланың сағат гендеріндегі циркадтық мутанттар мен қосымша мутацияларды талдау арқылы транскрипция және трансляцияның оң және теріс авторегуляциялық кері байланыс циклдарын қамтитын модель ұсынылды. Негізгі циркадтық "сағат" гендері – циркадтық ырғақтардың қалыптасуы мен реттелуіне қажетті ақуыз өнімдерін кодирлейтін гендер ретінде анықталады. Осыған ұқсас модельдер сүтқоректілерде және басқа да организмдерде де ұсынылған. Алайда, цианобактерияларға жасалған зерттеулер сағат механизмі туралы біздің көзқарасымызды өзгертті, себебі Кондо және оның әріптестері бұл бір жасушалы организмдердің транскрипциясыз 24 сағаттық уақытты дәл сақтай алатынын анықтады, яғни ырғақтар үшін транскрипция-трансляция авторегуляциялық кері байланыс циклының қажеттілігі жоқ. Сонымен қатар, бұл сағат сынақ түтігінде (яғни, жасуша компоненттері болмаған жағдайда) қайта құрылды, бұл генетикалық кері байланыс схемаларының қажеттілігінсіз дәл 24 сағаттық сағаттарды құруға болатынын көрсетті. Бұл жасушаларда транскрипция немесе генетикалық схемалар болған жоқ, демек кері байланыс циклы да болмады. Ұқсас байқаулар теңіз балдырмасында және кейіннен тышқанның қызыл қан жасушаларында жасалды. Ең маңыздысы, пероксиредоксин ырғақтарымен көрсетілген редокс осцилляциялары эволюциялық ағашты қамтитын өмірдің көптеген алыс патшалықтарында (эукариоттар, бактериялар және археялар) байқалды. Сондықтан редокс сағаттары – бұл «ата сағат», ал генетикалық кері байланыс схемалары – жасушалар мен тіндердің физиологиясы мен мінез-құлқын басқарудың негізгі механизмдерін реттейді. Демек, сағат моделін транскрипциялық схемалар мен редокс осцилляциялары және белок фосфорилирлеу циклдері сияқты транскрипциялық емес элементтер арасындағы өзара әрекеттесудің нәтижесі ретінде қарастыру қажет.
сүтқоректілер сағаттары
Адамның циркадтық сағатының белгілі компоненттерінің таңдамалы гендік деактивациясы сағаттың жұмысын сақтау үшін белсенді өтеу механизмдері мен қайталанушылық қолданылатынын көрсетеді. Бірнеше сүтқоректілердің сағат гендері табиғи, химиялық түрде шақырылған және бағытталған нокаут мутациялары бар жануарлардағы эксперименттер арқылы, сондай-ақ әртүрлі салыстырмалы геномдық тәсілдер арқылы анықталды және сипатталды. Бастапқы кері байланыс циклында негізгі спираль-ілмек-спираль (bHLH) PAS (Period Arnt Single minded) транскрипциялық факторлар отбасының мүшелері CLOCK және BMAL1 цитоплазмада гетеродимерленіп, ядроға транслокациядан кейін PER1, PER2 және PER3 ядролық сағат гендері және CRY1 және CRY2 екі криптохром гендері сияқты мақсатты гендердің транскрипциясын бастайтын кешен құрайды. PER:CRY гетеродимерлері CLOCK:BMAL1 кешендерінің активтілігін тежеу арқылы өз транскрипциясын басу үшін ядроға қайта транслокацияланып, теріс кері байланысқа қол жеткізіледі.
Сағат
Қисық саңырауқұлақтағы N. crassa сағат механизмі сүтқоректілер мен шыбыздарға ұқсас, бірақ гомолог емес.
Өсімдік сағаттары
Өсімдіктердегі циркадтық сағат жануарлардың, саңырауқұлақтардың немесе бактериялардың сағаттарынан мүлдем өзгеше компоненттерге ие. Өсімдік сағаты жануарлар сағатына ұқсас, себебі ол бір-бірімен байланысқан транскрипциялық кері байланыс циклдерінен тұрады. Сағатқа қатысты гендер күннің белгілі бір уақытында ең жоғары деңгейде өрнектеледі. Өсімдік сағатында алғаш рет анықталған гендер TOC1, CCA1 және LHY болды. CCA1 және LHY гендерінің ең жоғары өрнектелуі таңертең, ал TOC1 генінің ең жоғары өрнектелуі шамамен кешке қарай болады. CCA1/LHY және TOC1 ақуыздары бір-бірінің гендерін өрнектеуін тежейді. Нәтижесінде, таң атқаннан кейін CCA1/LHY ақуызының деңгейі төмендеген кезде, TOC1 генінің тежелуі аяқталып, TOC1 экспрессиясы мен TOC1 ақуызының деңгейінің артуына жағдай жасалады. TOC1 ақуызының деңгейі артқан сайын, ол CCA1 және LHY гендерінің өрнектелуін одан әрі басады. Түн бойы осы тізбектің кері процесі жүзеге асып, таңертең CCA1 және LHY гендерінің ең жоғары өрнектелуін қалпына келтіреді. Сағаттың құрылымы одан да күрделі, PRR гендері, Кешкі кешен және жарыққа сезімтал GIGANTIA және ZEITLUPE ақуыздары қатысатын бірнеше циклдер бар.
Бактериялық сағаттар
Бактериялық циркадтық ритмдерде цианобактериялық Kai C протеинінің фосфорилдану тербелістері, KaiC-ті KaiA, KaiB және ATP-мен инкубациялау арқылы жасушасыз жүйеде (in vitro сағаты) қайта жаңартылды.
Транскрипциядан кейінгі модификация
Ұзақ уақыт бойы сүтқоректілерде циркадтық ген экспрессиясын қозғаушы негізгі күш – циркадтық сағатты құрайтын транскрипциялық реттеушілердің трансскрипциялық белсенділену/басу циклдері деп есептелді. Алайда, соңғы кезде хабарланғандай, хабаршы РНК циклдік гендерінің бар болғаны 22% ғана de novo транскрипция арқылы басқарылады. Кейіннен РНК деңгейіндегі транскрипциядан кейінгі механизмдер, мысалы, мРНК полиадениляция динамикасы ритмикалық белок экспрессиясын басқаратыны анықталды. Фустин және әріптестері циркадтық кезеңнің маңызды реттеушісі ретінде мРНК (оның ішінде сағаттық транскриптер) ішіндегі ішкі аденозиндердің (m6A) метилирленуін анықтады. М6А метилирлеуді фармакологиялық тежеу арқылы, яғни жасушалық метилирлеуді немесе siRNA көмегімен m6A метилаза Mettl3-тің белсенділігін басу арқылы циркадтық кезеңнің айқын ұзаруына әкелді. Керісінше, Mettl3 экспрессиясын арттыру in vitro жағдайында кезеңнің қысқаруына алып келді. Бұл байқаулар циркадтық сағаттың РНК деңгейіндегі транскрипциядан кейінгі реттелуінің маңыздылығын нақты көрсетті және (m6A) РНК метилирлеуінің физиологиялық рөлін орнатып берді.
Аудармадан кейінгі өзгертулер
Сағаттардағы автореттелуші кері байланыс циклдері бір циклді аяқтауға шамамен 24 сағат жұмсайды және циркадтық молекулалық сағатты құрайды. ~24 сағаттық молекулалық сағаттың қалыптасуы фосфорилирлеу, сумоилдеу, гистон ацетилдеуі және метилдеуі, сондай-ақ убиквитинирлеу сияқты посттрансляциялық модификациялармен басқарылады.
Системалық биологияның тербелістік механизмдерді түсіндіруге арналған тәсілдері
Жүйелік биологияны қолданатын қазіргі заманғы тәжірибелік тәсілдер биологиялық сағаттардағы көптеген жаңа құрамдас бөліктерді анықтады, бұл организмдердің циркадтық дірілдеуді қалай сақтайтыны туралы интегративтік көзқарас ұсынады. Ұлттық жүрек, өкпе және қан институты (NHLBI) циркадтық геномдық жаңа ерекшеліктерді бағалап, дене сағаты мен көптеген жасушалық процестер арасындағы байланысты талқылады.
Күндізгі сағаттардың өзгеруі
Көптеген организмдерде 24 сағаттық дәл циркадтық сағат кездеседі, бірақ ол барлыққа ортақ емес. Арктиканың және Антарктиканың жоғары ендіктерінде тіршілік ететін организмдер кейбір маусымдарда күн уақытын бастан кешпейді, алайда олардың көпшілігі 24 сағатқа жуық циркадтық ырғақты сақтайды деп саналады, мысалы, аюлар қысқы ұйқыда болғанда. Жер бетіндегі биомассаның көп бөлігі қараңғы биосферада шоғырланған, және осы организмдер ритмдік физиологияны көрсетуі мүмкін, бірақ олар үшін басты ырғақ циркадтық болмауы ықтимал. Шығыстан батысқа көшіп жүретін, әсіресе жер шарын айналып өтетін организмдер үшін 24 сағаттық фаза айлар, маусымдар немесе жылдар бойы өзгеріп отыруы мүмкін. Кейбір бұрышкерлерде ерекше ұзақ немесе қысқа циркадтық сағаттар болады. Мысалы, кейбір қоқысқа толы жіптің торы құратын бұрышкерлердің циркадтық сағаты 18,5 сағатқа жетеді, бірақ олар 24 сағаттық циклмен синхронды жұмыс істей алады. Бұл бейімделу бұрышкерлерге күн шығар алдында белсенді болуға және хищниктерден қашуға көмектеседі. Қара жесірлердің сағаттары ырғақсыз, мүмкін олар қараңғы ортаны ұнататындықтан.