Знание-сила, 2007 № 08 (962)

Такой механизм регуляции количества веществ в клетке широко распространен и называется отрицательной регуляцией транскрипции. Он устроен по принципу отрицательной обратной связи: накопив белка столько, сколько нужно, клетка прекращает его дальнейший синтез. Сделать это проще всего, просто перестав производить матричную РНК, на основе которой делается ненужный больше белок.

Система с отрицательной обратной связью — просто идеальный кандидат для отсчитывания времени, она сама по себе производит периодические колебания. Оставалось выяснить детали процесса. Через несколько лет был найден другой clock-ген, ген tim, от английского слова timeless. Мухи, мутантные по этому гену, не умели поддерживать циркадный ритм. Концентрация продукта этого гена — белка TIM, также циклически менялась на протяжении суток, и также отставала от концентрации соответствующей матричной РНК. Значит, найден еще один ген с обратной связью, да еще выяснилось, что белок TIM оказался реагирующим на свет! Дальнейшие исследования показали, что для поддержания нормального суточного ритма мухам нужны «работающие» версии обоих генов, и per и tim, а производимые ими белки должны «работать вместе», возможно, образуя димер.

Ну вот, есть все необходимое для часов. Есть механизм колебаний, и есть «выставление нуля» — белок TIM, чувствительный к свету.

Несколько сложнее устроен суточный счетчик времени у млекопитающих. Перейти от его исследований у мышей к человеку удалось в 2002 году при анализе семей, страдающих редкой формой нарушения сна. Оказалось, что синдром смещения фазы вызывается мутацией в одном из генов семейства Per — всего у млекопитающих 3 гена этого семейства. Мутация этого гена заставляет людей быть «экстремальными жаворонками», ложиться спать в 7 часов вечера и вставать задолго до рассвета — в 2 часа ночи. Другой ген того же семейства, наоборот, при поломке заставляет своих носителей ложиться спать не раньше 2 часов ночи. Вполне возможно, что существуют аллели этих генов с разной степенью активности, приводящей к простому предпочтению того или иного времени суток.

Гены биологических часов «работают» во многих тканях — в сердце, печени, почках, яичниках и семенниках, мышцах и соединительной ткани. Даже изолированные клетки соединительной ткани — фибробласты — ритмически изменяют экспрессию clock- генов. Несмотря на наличие во всех этих тканях собственных биологических часов, суточный ритм в организме все-таки один.

Координирует все ритмы организма головной мозг. У рептилий и птиц за синхронизацию суточных ритмов отвечает пинеальный орган, его еще называют эпифиз, эволюционно древний вырост промежуточного мозга. Когда-то он был полноценным глазом; возможно, у первых амфибий и кистеперых рыб, проводивших все время, зарывшись в ил, он выполнял важную функцию — предупреждал об опасности сверху. Постепенно этот «третий глаз» деградировал, его остатки можно видеть у древней ящерицы гаттерии, однако он сохранил способность воспринимать свет. В отсутствии освещения эпифиз выделяет гормон сна — мелатонин. У млекопитающих эпифиз уступил основную регулирующую функцию другому отделу мозга — супрахиазменному ядру.

В 1972 году двум группам американских ученых удалось показать, что оно управляет синхронизацией биологических ритмов в организме грызунов. Супрахиазменное ядро расположено над перекрестом зрительных нервов, под гипофизом. Хирургически разрушив мышам этот участок мозга, Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у оперированных животных исчезла суточная цикличность содержания в крови гормонов стресса — адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным супрахиазматическим ядром. Мышки и хомячки переставали соблюдать ночной ритм активности, и бегали в колесе в любое время суток. Они спали и бодрствовали хаотически, как завещала птица Додо, «строго как попало».

Именно супрахиазменное ядро у млекопитающих и исполняет роль «Спасской башни», синхронизирует все биологические часы в организме — с помощью гормонов, температуры тела, и, возможно, не известных нам еще механизмов.