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.
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.
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.