Организм животных и человека живет по биологическим часам. Они настроены по суточному (циркадному) ритму. Ритм обеспечен генами. Эту стройную теорию разрушили гены, которые работают не в 24−, а в 12— и восьмичасовом ритме.

Команда медицинского факультета Пенсильванского университета и Института биологических исследований Салка (Ла-Хойя, Калифорния) работала с мышами. Им удалось отследить почасовую работу генов в мышиной печени в течение двух суток.

РНК как зеркало генов

Ученые использовали новый метод временнóго анализа генной активности. Мыши генетической линии C57BL/6J сначала жили при искусственном освещении с 12−часовым световым днем. Но перед самым экспериментом их помещали в условия постоянной темноты, чтобы исключить влияние внешних стимулов.

Каждый час исследователи забирали три-пять животных, извлекали у них печень и анализировали все работающие в ней на этот момент гены. Для этого из печени мышей извлекали РНК. Напомним, что эта молекула, а конкретно мРНК – матричная РНК, синтезируется на участке ДНК, копируя закодированную в ней информацию о строении белка. Поэтому, собрав всю РНК, которая в данный момент времени образовалась в ткани, можно получить информацию, какие гены в ней работали.

Чтобы определить всю РНК, извлеченную из ткани печени, ученые применили метод биологических микрочипов. Зонды, размещенные на подложке, связываются с различными видами РНК, и место реакции маркируется флуоресцентной меткой.

Побочные гармоники в суточном ритме

Отслеживая таким методом час за часом работающие в мышиной печени гены, ученые выявили три тысячи генов, которые изменяли свою активность, повинуясь временной периодичности. Надо сказать, что до сих пор науке было известно всего лишь от 400 до 500 циркадных генов. «Большинство этих генов продемонстрировало 24−часовой цикл активности, что неудивительно, — комментирует результат руководитель исследования Джон Хогенеш (John Hogenesch), доцент фармакологии Института трансляционной медицины и терапии Пенсильванского университета. – Но сюрпризом для нас стали гены с 12−часовым и восьмичасовым циклами активности».

3 тыс. генов, которые оказались под наблюдением, составляют 4% всех работающих в печени. Из них 260 подчинялись 12−часовому циклу активности, а 63 работали с восьмичасовым циклом, остальные были 24−часовыми. Ученые посмотрели работающие гены в других тканях животных, и оказалось, что 12−часовой клеточный цикл там имеется. Следовательно, это универсальное явление.

В культуре клетки живут проще, чем в организме

Помимо генов живых мышей ученые параллельно таким же методом изучали работающие гены в клеточных культурах. Они работали с двумя видами клеточных культур, в том числе с клетками человеческой остеосаркомы. Клетки нужно было подготовить, синхронизировав в них клеточный цикл, – для этого ученые применили специальные вещества, а пометив флуоресцентной меткой хорошо известный «часовой» ген Bmal 1, они наблюдали синхронное свечение.

В клеточной культуре также нашлось множество генов с 24−часовым циклом активности, но что характерно, генов с более коротким циклом там не оказалось. По-видимому, 12−часовой и восьмичасовой ритмы задаются какими-то физиологическими процессами, которые имеют место, естественно, только в живом организме. Именно поэтому такие ритмы отсутствуют в сообществе изолированных клеток в культуре.

Физиологические ключи для настройки ритмичных генов

Ритмическая активность генов должна иметь биологическую основу, запускаться какими-либо ключами. Исследователям было интересно их найти. Пик активности 12−часовых генов в тканях мышей приходится на сумеречные и рассветные часы. Ученые предположили, что эти гены отвечают за физиологическую подготовку организма к суточной смене освещения. Смена дня и ночи – это небольшой стресс для организма. «Каждый, у кого были маленькие дети, знает, что они чаще всего плачут именно в это время», — уверенно напоминает Хогенеш.

Ключом к настройке генного ритма может быть, например, пищевой метаболизм. Ученые предположили, что прием пищи может влиять на активность 12−часовых генов. Чтобы проверить это, они изменили мышам режим питания. Обычно мыши как ночные животные едят преимущественно ночью, а днем спят. Исследователи ограничили мышам доступ к пище дневными часами и обнаружили, что из восьми 12−часовых генов семь изменили свой режим работы. Это подтвердило предположение о пищевом ключе.

Среди 12−часовых генов оказались вовлеченные в регуляцию клеточного деления и синтеза белка. А восьмичасовые гены участвуют в клеточных сигнальных процессах и обмене липидов.

Связь восьмичасового ритма с физиологическими процессами ученым пока не удалось обнаружить, однако это не означает, что у него нет биологической основы. И конечно, можно поспекулировать на тему о физиологически обоснованной длительности восьмичасового рабочего дня.