Введение

Биологический механизм, контролирующий циркадный ритм. Циркадные часы, или циркадный осциллятор, также известные как внутренние биологические часы, – это биохимический осциллятор, который циклически изменяется со стабильной фазой и синхронизируется с солнечным временем. Период таких часов in vivo обязательно составляет почти ровно 24 часа (текущие солнечные сутки Земли). В большинстве живых организмов внутренне синхронизированные циркадные часы позволяют организму предвидеть ежедневные изменения окружающей среды, соответствующие дневно-ночному циклу, и соответствующим образом корректировать свою биологию и поведение. Термин «циркадный» происходит от латинских слов circa (около) и dies (день), поскольку при исключении внешних сигналов (таких как освещение) они не работают точно с 24-часовым периодом. Например, часы у людей в лаборатории при постоянном слабом освещении в среднем составляют около 24,2 часа в сутки, а не ровно 24 часа. Нормальные биологические часы колеблются с эндогенным периодом ровно 24 часа и синхронизируются, получая достаточное количество корректирующих сигналов из окружающей среды, в первую очередь дневной свет и темноту. Циркадные часы – это центральные механизмы, управляющие циркадными ритмами. Они состоят из трех основных компонентов: центрального биохимического осциллятора с периодом около 24 часов, который отсчитывает время; серии входных путей к этому центральному осциллятору, обеспечивающих синхронизацию часов; и серии выходных путей, связанных с различными фазами осциллятора, которые регулируют явные ритмы в биохимии, физиологии и поведении во всем организме. Часы сбрасываются, когда организм воспринимает сигналы времени окружающей среды, основным из которых является свет. Циркадные осцилляторы широко распространены в тканях организма, где они синхронизируются как эндогенными, так и внешними сигналами для регулирования транскрипционной активности в течение дня специфичным для ткани образом. Циркадные часы тесно связаны с большинством клеточных метаболических процессов и подвержены влиянию старения организма. Основные молекулярные механизмы биологических часов были установлены у видов позвоночных, Drosophila melanogaster, растений, грибов, бактерий и, предположительно, также у архей. В 2017 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Джеффри С. Холлу, Майклу Росбашу и Майклу В. Янгу «за их открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм» у плодовых мух.

Анатомия позвоночных

У позвоночных основные циркадные часы расположены в супрахиазматическом ядре (SCN) – двустороннем нервном скоплении, состоящем примерно из 20 000 нейронов. Само SCN находится в гипоталамусе, небольшой области мозга, расположенной непосредственно над зрительным перекрестом, где оно получает сигналы от специализированных светочувствительных ганглиозных клеток сетчатки по зрительно-гипоталамуческому пути. SCN поддерживает контроль над всем организмом, синхронизируя "подчиненные осцилляторы", которые демонстрируют собственные околосуточные ритмы и регулируют циркадные явления в локальных тканях. Через механизмы межклеточной сигнализации, такие как вазоактивный кишечный пептид, SCN посылает сигналы другим ядрам гипоталамуса и шишковидной железе, модулируя температуру тела и выработку гормонов, таких как кортизол и мелатонин; эти гормоны поступают в кровоток и индуцируют эффекты, определяемые внутренними часами, во всем организме. Однако до сих пор неясно, какой именно сигнал (или сигналы) обеспечивает основную синхронизацию с множеством биохимических часов, содержащихся в тканях по всему телу. Подробности см. в разделе "Регуляция циркадных осцилляторов" ниже.

Транскрипционный и нетранскрипционный контроль

Доказательства генетической основы циркадных ритмов у высших эукариотов начались с открытия локуса периода (per) у Drosophila melanogaster в ходе генетических скринингов, проведенных Роном Конопкой и Сеймуром Бензером в 1971 году. Анализ циркадных мутаций и дополнительных мутаций в генах, регулирующих циркадные ритмы дрозофилы, позволил предложить модель, включающую положительные и отрицательные циклы авторегуляторной обратной связи транскрипции и трансляции. Основные циркадные "часовые" гены определяются как гены, белковые продукты которых являются необходимыми компонентами для генерации и регуляции циркадных ритмов. Подобные модели были предложены для млекопитающих и других организмов. Однако исследования цианобактерий изменили наше представление о механизме часов, поскольку Кондо и его коллеги обнаружили, что эти одноклеточные организмы способны поддерживать точное 24-часовое время в отсутствие транскрипции, то есть не требовалось авторегуляторной обратной связи транскрипции и трансляции для поддержания ритмов. Более того, эти часы были реконструированы в пробирке (то есть в отсутствие каких-либо клеточных компонентов), что доказало возможность формирования точных 24-часовых часов без необходимости генетических цепей обратной связи. В этих клетках отсутствовала транскрипция и генетические цепи, а следовательно, и обратная связь. Аналогичные наблюдения были сделаны у морских водорослей и впоследствии в красных кровяных клетках мыши. Что еще более важно, окислительно-восстановительные колебания, продемонстрированные ритмами пероксиредоксина, теперь наблюдаются в нескольких отдаленных царствах жизни (эукариотах, бактериях и археях), охватывающих эволюционное древо. Таким образом, окислительно-восстановительные часы представляются "прародителями" часов, а генетические цепи обратной связи – основными механизмами вывода, контролирующими физиологию и поведение клеток и тканей. Следовательно, модель часов следует рассматривать как результат взаимодействия транскрипционных цепей и нетранскрипционных элементов, таких как окислительно-восстановительные колебания и циклы фосфорилирования белков.

Часы для млекопитающих

Селективное подавление экспрессии генов известных компонентов циркадных часов человека демонстрирует, что для поддержания функции часов используются как активные компенсаторные механизмы, так и избыточность. Несколько генов часов млекопитающих были идентифицированы и охарактеризованы в экспериментах на животных с естественными, химически индуцированными и направленными нокаутами, а также с использованием различных сравнительно-геномных подходов. В основной петле обратной связи члены семейства транскрипционных факторов с основной спиралью-петлей-спиралью (bHLH) PAS (Period Arnt Single minded), CLOCK и BMAL1, гетеродимеризуются в цитоплазме, образуя комплекс, который после транслокации в ядро инициирует транскрипцию генов-мишеней, таких как гены "период" (PER1, PER2 и PER3) и два гена криптохрома (CRY1 и CRY2). Отрицательная обратная связь достигается за счет гетеродимеров PER:CRY, которые возвращаются в ядро, чтобы подавлять собственную транскрипцию, ингибируя активность комплексов CLOCK:BMAL1.

Грибные часы

В нитевидном грибе N. crassa механизм часов аналогичен, но не является ортологом механизма млекопитающих и мух.

Растительные часы

Циркадные часы у растений имеют совершенно иные компоненты, чем у животных, грибов или бактерий. Растительные часы концептуально схожи с часами животных тем, что состоят из серии взаимосвязанных петель транскрипционной обратной связи. Гены, вовлеченные в работу часов, демонстрируют пиковую экспрессию в фиксированное время суток. Первыми генами, идентифицированными в растительных часах, были TOC1, CCA1 и LHY. Пиковая экспрессия генов CCA1 и LHY наблюдается на рассвете, а пиковая экспрессия гена TOC1 – примерно в сумерках. Белки CCA1/LHY и TOC1 подавляют экспрессию генов друг друга. В результате, по мере снижения уровня белка CCA1/LHY после рассвета, снимается подавление гена TOC1, что позволяет экспрессии TOC1 и уровню белка TOC1 возрастать. С увеличением уровня белка TOC1 усиливается подавление экспрессии генов CCA1 и LHY. Обратный процесс происходит ночью, чтобы восстановить пиковую экспрессию генов CCA1 и LHY на рассвете. Конструкция часов гораздо сложнее, включает в себя множество петель с участием генов PRR, вечернего комплекса и светочувствительных белков GIGANTIA и ZEITLUPE.

Бактериальные часы

В бактериальных циркадных ритмах колебания фосфорилирования цианобактериального белка KaiC были воссозданы в бесклеточной системе (in vitro часы) путем инкубации KaiC с KaiA, KaiB и АТФ.

Посттранскрипционная модификация

Долгое время считалось, что циклы транскрипционной активации/репрессии, управляемые транскрипционными регуляторами, составляющими циркадные часы, являются основной движущей силой циркадной экспрессии генов у млекопитающих. Однако, более поздние исследования показали, что только 22% генов, демонстрирующих циклические изменения уровня РНК, зависят от de novo транскрипции. Впоследствии были описаны посттранскрипционные механизмы на уровне РНК, регулирующие ритмическую экспрессию белков, такие как динамика полиадениляции мРНК. Фустин и его коллеги выявили метилирование внутренних аденозинов (m6A) в мРНК (в особенности в самих циркадных транскриптах) как ключевой регулятор циркадного периода. Ингибирование метилирования m6A посредством фармакологического ингибирования клеточных метилирований или, более специфично, с помощью РНК-интерференции, направленной на подавление метилазы m6A Mettl3, приводило к значительному удлинению циркадного периода. В то же время, сверхэкспрессия Mettl3 in vitro приводила к укорочению периода. Эти наблюдения убедительно продемонстрировали важность посттранскрипционной регуляции циркадных часов на уровне РНК и одновременно установили физиологическую роль метилирования РНК (m6A).

Постпереводные модификации

Авторегулирующие петли обратной связи в биологических часах занимают около 24 часов для завершения цикла и формируют циркадные молекулярные часы. Создание этих ~24-часовых молекулярных часов определяется посттрансляционными модификациями, такими как фосфорилирование, сумоилирование, ацетилирование и метилирование гистонов, а также убиквитинирование.

Системобиологические подходы к выяснению колебательных механизмов

Современные экспериментальные подходы с использованием системной биологии выявили множество новых компонентов биологических часов, что позволяет рассматривать поддержание циркадных колебаний организмами в интегративном ключе. В НХЛБИ проанализировали новейшие геномные данные о циркадных ритмах и обсудили взаимосвязь между биологическими часами и различными клеточными процессами.

Изменение циркадных часов

Хотя точные 24-часовые циркадные часы встречаются у многих организмов, они не являются универсальными. Организмы, обитающие в высоких широтах Арктики или Антарктики, не испытывают солнечного времени на протяжении всех сезонов, однако большинство из них, как считается, поддерживают циркадный ритм, близкий к 24 часам, например, медведи в состоянии оцепенения. Большая часть биомассы Земли находится в темной биосфере, и хотя эти организмы могут проявлять ритмическую физиологию, для них доминирующим ритмом вряд ли будет циркадный. Для мигрирующих с востока на запад организмов – и особенно для тех, кто совершает кругосветные перелеты – абсолютная 24-часовая фаза может отклоняться на протяжении месяцев, сезонов или лет. У некоторых пауков циркадные часы необычно длинные или короткие. Например, у некоторых пауков-кругопрядов, плетущих мусоропровод, циркадные часы составляют 18,5 часов, но они все же способны синхронизироваться с 24-часовым циклом. Эта адаптация может помочь паукам избегать хищников, позволяя им быть наиболее активными перед восходом солнца. Циркадные часы черных вдов аритмичны, возможно, из-за их предпочтения темной среды обитания.