Причина в том, что, хотя нагревание и охлаждение заставляют часы сдвигаться вперед или назад, они не могут сократить или удлинить его 24-часовой цикл. Новое исследование, опубликовано в ноябре.
2, 2015 в Трудах Национальной академии наук, исследует, как это возможно.
«Наше исследование предлагает объяснение: внутренние механизмы часов – циклическая активность генов и концентрация белков – не меняются с температурой, поэтому продолжительность цикла остается неизменной», – говорит старший автор Эрик Сиггиа, Виола. Уорд Бриннинг и Эльберт Калхун Бриннинг, профессор Центра физико-биологических исследований Рокфеллера.
"Между тем, основные механизмы часов, похоже, связаны с внешними путями, которые чувствительны к температуре. Эта внешняя связь может заставить часы переходить вперед или назад », – говорит Сиггиа.
Это исследование является результатом сотрудничества лаборатории Сиггиа и Майкла В. Лаборатория генетики Юнга. Он основан на растущих доказательствах, ставящих под сомнение модель, которая десятилетиями использовалась для объяснения температурных сдвигов.
Новое объяснение
В последние десятилетия исследователи обнаружили генетические процессы, которые управляют часами многих различных видов. У плодовых мушек, например, пара белков, называемых Period и Timeless, транскрибируется из их генов и после ряда шагов в конечном итоге подавляет собственное производство.
Этот цикл длится примерно 24 часа, независимо от температуры, при которой живет организм. Это делает циркадные часы странным, поскольку температура изменяет скорость, с которой происходят большинство биологических процессов.
На протяжении десятилетий доминирующее объяснение независимости 24-часового периода от температуры, явление, известное как температурная компенсация, основывалось на термочувствительности химических реакций, которые запускают цикл отсчета времени. Согласно этой теории, влияние температуры на многие химические реакции в циркадном цикле нейтрализует друг друга, оставляя период незатронутым изменениями температуры.
Но исследования все чаще показывают, что происходит что-то еще. Например, исследование 2010 года показало, что у плодовых мушек, у которых подавлена защитная реакция на тепло и стресс, часы почти не меняются при изменении температуры.
Поскольку традиционная модель предсказывает, что все чувствительно к температуре, ни один путь не должен быть таким влиятельным.
Предыдущая работа в лаборатории Сиггиа предложила альтернативное объяснение.
Исследователи использовали вычислительные инструменты для моделирования эволюции генных сетей, включая модель циркадных часов. Их результаты показали, что вызванные температурой сдвиги часов связаны с генетическими путями, отдельными от молекулярных циклов в ядре часов, но связанными с ними, и что основные часы фактически нечувствительны к температуре.
Пропорционально при разных температурах
Ведущий автор недавнего исследования Филип Кидд, постдок из лабораторий Сиггиа и Янга, решил проверить эту гипотезу. Используя концептуальную модель и молекулярные эксперименты на мухах, он изучил, как колебания отдельных компонентов часов, таких как концентрация белка Timeless, изменяются с температурой.
«Если наш прогноз верен, и основной механизм часов не реагирует на температуру, тогда колебания в конкретном компоненте при разных температурах должны оставаться пропорциональными друг другу, то есть мы должны иметь возможность масштабировать их, чтобы они выровняйте ", – говорит Кидд. "И когда мы исследовали скорость транскрипции Timeless, а также ее последующие уровни при трех температурах, мы обнаружили именно это."
Между тем, у мухи с мутацией, которая позволяет длине периода часов изменяться в зависимости от температуры, кривые, описывающие колебания Timeless при трех температурах, смещались и меняли форму и больше не были пропорциональны, подтверждая предпосылку более ранней модели Сигги.
"Механизм, с помощью которого часы могут частично игнорировать температуру, остается ключевой проблемой для тех из нас, кто хочет понять, как он работает. Наша и другие работы указывают на общую систему, которая могла бы объяснить эту загадку и привести к всестороннему пониманию этих часов », – говорит Янг, соавтор исследования и профессора Ричарда и Жанны Фишер.