Мозг – повелитель времени

Лаборатория Бензера изучала знаменитую фруктовую муху Drosophila melanogaster, которая, как и все мухи, начинает жить в виде личинки. Сначала личинка окружает себя оболочкой (пупарием) и превращается в куколку, а из куколки через несколько дней появляется взрослое насекомое. Процесс высвобождения из оболочки строго координирован по времени. Насекомые вылупляются в ранние утренние часы, чтобы избежать высушивания под действием солнечных лучей. С целью изучения генетики внутренних часов Конопка искал мутации, которые заставляли бы насекомое вылупляться в неправильное время. Он нашел три такие мутации: одна возникала в разное время на протяжении жизни, вторая возникала рано, а третья поздно. В полной темноте все мутанты вели себя примерно одинаковым образом: взрослые особи были либо активны в разное время суток с разными интервалами, а их свободный цикл составлял 19 ч, либо имели аномально длинный цикл протяженностью целых 28 ч. Конопка обнаружил, что все три мутации происходили в одном и том же гене, который он назвал Period.

Через 10 лет исследовательская группа под руководством Майкла Росбаша выделила этот ген и определила его нуклеотидную последовательность52. В дальнейшем были обнаружены другие гены, играющие ключевую роль в функционировании биологических часов; таким генам часто дают соответствующие названия, например, Clock, Cycle или Timeless.

Процессы с участием этих генов и их продуктов, приводящие к установлению стабильного циркадного ритма, весьма сложны, но общий принцип прост. Настолько прост, что понять его можно на примере устройства туалетного бачка. Каждый раз, когда вы спускаете воду в туалете, бачок вновь заполняется водой, но перелива не происходит. Когда вода находится на нижнем уровне, соединенный с клапаном поплавок опускается, клапан открывается, и уровень воды поднимается. При этом поплавок поднимается вверх и закрывает клапан. Если проделать в бачке маленькое отверстие, через которое постоянно могла бы подтекать вода, поплавок в какой-то момент опустился бы достаточно низко, чтобы открыть клапан и заполнить бачок. Так происходят осцилляции: медленное снижение уровня воды в какой-то момент приводит к открытию клапана, уровень воды повышается, и приток воды прекращается. Затем вода снова начинает медленно подтекать, и процесс возобновляется. И если ваш туалет среди ночи по какой-то причине начинает издавать звуки, вполне вероятно, что он осциллирует в результате протечки клапана.

Биологические часы устроены сложнее туалетного бачка, но принцип тот же, хотя механизм, управляющий действием этих часов, носит труднопроизносимое название: саморегулирующаяся транскрипционно-трансляционная петля обратной связи. Транскрипционная — потому что закодированные в ДНК гены транскрибируются в РНК. Трансляционная — потому что эти молекулы РНК транслируются в белки. А «саморегулирующаяся петля обратной связи» означает, что эти белки ингибируют дальнейшую транскрипцию тех самых генов, которые привели к их синтезу (тем самым закрывая водяной клапан). Один такой белок носит название Period — это продукт гена Period. Концентрация белка в клетке постепенно нарастает, и в какой-то момент сам белок отключает ген, с которого синтезируется. Затем белок постепенно разрушается, ген вновь начинает действовать, и это приводит к росту концентрации белка. Догадайтесь, сколько времени длится этот цикл?

Но циркадный ритм — это не просто осцилляции с частотой около 24 ч; такие осцилляции должны быть устойчивыми. Часовых дел мастера XVIII в. боролись с влиянием температуры на ход механических часов и маятников, и эволюции тоже пришлось решить проблему ускорения биохимических реакций с повышением температуры. Мы до сих пор не очень хорошо понимаем, как эктотермные53 организмы, такие как цианобактерии, растения или мухи, поддерживают 24-часовой ритм жизни, невзирая на суточные и сезонные колебания температуры. Но мы знаем, что с саморегулирующейся транскрипционно-трансляционной петлей обратной связи взаимодействует множество других генов и белков, и некоторые из них, по-видимому, компенсируют влияние температуры54.

ДЖЕТЛАГ

Радиостанция WWVB, расположенная поблизости от Форт-Коллинза в Колорадо, передает очень важную, но чрезвычайно скучную информацию. На протяжении всего дня она посылает сигналы всемирного координированного времени для всех часов во всей Северной Америке, включая те, которые синхронизируются через радиосигналы. Такую же работу выполняет супрахиазматическое ядро головного мозга. Молекулярный механизм, заставляющий работать внутренние часы, существует во всех клетках млекопитающих. Таким образом, концентрация белка Period осциллирует не только в нейронах супрахиазматического ядра, но и в большинстве клеток нашего тела55. Функция супрахиазматического ядра заключается в том, чтобы все эти часы работали синхронно.