Каждые сутки наша планета совершает оборот вокруг своей оси, благодаря чему условия жизни каждого существа на Земле регулярно меняются. Чтобы приспособиться к таким изменениям и быть готовыми к каждому наступлению темноты или похолоданию, организмы ориентируются на внутренние часы. В соответствии с ходом таких часов регулируются процессы обмена [1], а также циклы сна/бодрствования*.

* — О суточных циклах написано немало: например, в виде эволюционного экскурса «Прообраз биологических часов» [2], оригинально «Пусть ворона сохнет, или Как устроены суточные циклы» [3] и понятно даже детям «“Проснись!” — “Усни...” — “Проснись!” — “Усни...” — “Проснись!”» [4] — Ред.

Физически «внутренние часы» представляют собой систему генов, которые активируются и дезактивируются по системе отрицательной обратной связи. В простейшем случае ген часов активируется, в результате чего синтезируется белок, который подавляет работу гена. Ген снова начинает работать только после того, как деградирует этот белок. В результате активность генов часов, а также концентрации белков, участвующих в регуляции работы этих генов, изменяются регулярным образом. А уже имея такой «метроном», организм может отсчитывать промежутки времени, соответствующие циклам смены условий внешней среды.

Однако американские ученые обнаружили, что привычная схема устройства часов нуждается в пересмотре [5]. Объектом их исследования стал гриб Neurospora crassa. Белок-регулятор часов у этого гриба называется FREQUENCY (или FRQ). Было известно, что у мутантов, у которых время жизни этого белка увеличено, длина периода цикла также увеличена. Кроме того, если «сломать» систему уничтожения этого белка, в результате чего он будет накапливаться в клетках, суточные циклы у гриба пропадают. Странно, но в последнем случае, несмотря на то, что суточные циклы у гриба очевидным образом не проявлялись, активность гена frq все-таки продолжала циклически изменяться. Получается, что деградация белка FRQ не была необходима для поддержания циклической активности гена (хотя, видимо, была нужна для того, чтобы организм изменял свою активность в соответствии с ходом часов).

Ученые выдвинули предположение, что на самом деле для поддержания циклической активности генов часов нужна не деградация белка-регулятора, а просто его «выведение из строя», которое происходит под действием модификаций. Белок FRQ фосфорилируется по более чем сотне сайтов, и когда он приобретает определенное количество этих модификаций, они изменяют его структуру. В результате такого изменения структуры белок теряет способность репрессировать работу гена часов, который снова начинает активно работать. Эксперименты со штаммами грибка, у которых не было фермента, ответственного за деградацию FRQ, подтвердили: после того, как белок-регулятор получил достаточное количество модификаций, уже не важно, будет ли он уничтожен или продолжит находиться в клетке — его деградация не требуется, чтобы ген часов продолжал циклически работать. А вот если заблокировать работу ферментов, которые фосфорилируют белок-регулятор, циклические изменения активности гена часов пропадут.

Таким образом, схема работы молекулярных часов на данный момент представляется такой: ген часов работает, в результате чего синтезируется белок, отключающий ген. Белок плавает в цитоплазме, накапливая модификации (фосфорилирование). Модификации, по-видимому, отличаются функционально — более ранние модификации нужны, чтобы сделать возможными более поздние. Когда молекула белка-регулятора соберет необходимый набор модификаций, она перестанет репрессировать ген часов, который снова включится в работу (рис. 1). То есть белку-регулятору совсем не нужно деградировать, чтобы «позволить» гену активироваться.

Предложив новую модель, ученые нашли и в других опубликованных ранее работах подтверждения своих выводов. К примеру, у мутантов мушек Drosophila, у которых белок-регулятор медленно деградировал, даже получив множественные модификации, суточные циклы все равно продолжались, хотя и были замедленными [6]*. Активность гена часов у них возобновлялась даже в присутствии неактивных «старых» молекул белка-регулятора — то есть, опять же, его деградация была не нужна, чтобы циклы продолжались. Кроме того, известно еще несколько примеров, когда блокирование путей уничтожения белка-регулятора лишь незначительно влияло на ход молекулярных часов [7–9]. Таким образом, есть основания думать, что новая модель устройства молекулярных часов будет применима к самым разным организмам**.

* — Сон, в том числе у мушек, управляется не только циркадным, но и гомеостатическим механизмом, отвечающим за желание поспать: «Бессонные ночи дрозофилы» [10] — Ред.

** — О рассинхронизации «внутренних часов» в разных тканях, при патологических процессах и старении даже у одного организма можно прочитать в статьях «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?» [11] и «Молекулярные часы нашего сердца» [12] — Ред.

Литература

1. Найдена связь между обменом веществ и циркадным ритмом;
2. Прообраз биологических часов;
3. Элементы: «Пусть ворона сохнет, или Как устроены суточные циклы»;
4. «Проснись!» — «Усни...» — «Проснись!» — «Усни...» — «Проснись!»;
5. Larrondo L.F., Olivares-Yanez C., Baker C.L., Loros J.J., Dunlap J.C. (2015). Decoupling circadian clock protein turnover from circadian period determination. Science. 347(6221). doi: 10.1126/science.1257277;
6. Blau J. (2008). PERspective on PER phosphorylation. Genes Dev. 22, 1737–1740;;
7. Reischl S., Vanselow K., Westermark P.O., Thierfelder N., Maier B., Herzel H., Kramer A. (2007). Beta-TrCP1-mediated degradation of PERIOD2 is essential for circadian dynamics. J. Biol. Rhythms. 22, 375–386;;
8. Hirano A., Yumimoto K., Tsunematsu R., Matsumoto M., Oyama M., Kozuka-Hata H., Fukada Y. (2013). FBXL21 regulates oscillation of the circadian clock through ubiquitination and stabilization of cryptochromes. Cell. 152, 1106–1118;;
9. Ohsaki K., Oishi K., Kozono Y., Nakayama K., Nakayama K.I., Ishida N. (2008). The role of β-TrCP1 and β-TrCP2 in circadian rhythm generation by mediating degradation of clock protein PER2. J Biochem. 144, 609–618;;
10. Бессонные ночи дрозофилы;
11. Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?;
12. Молекулярные часы нашего сердца.