«Открытие того, как взаимодействуют эти гены циркадных часов, было долгим, – сказал Азиз Санкар, доктор медицинских наук, профессор биохимии и биофизики Сары Грэм Кенан и старший автор статьи« Гены и развитие ». «Мы уже давно знаем, что четыре белка участвовали в формировании суточной ритмичности, но не совсем то, что они делали. Теперь мы знаем, как сбрасываются часы во всех ячейках. Таким образом, у нас есть лучшее представление о том, чего ожидать, если мы нацелены на эти белки с помощью терапевтических средств.”
Во всех клетках человека есть четыре гена – Cryptochrome, Period, CLOCK и BMAL1 – которые работают в унисон, чтобы контролировать циклические изменения в физиологии человека, такие как артериальное давление, температура тела и циклы отдыха-сна. То, как эти гены контролируют физиологию, помогает нам подготовиться к сегодняшнему дню. Это называется циркадными часами.
Это держит нас в правильном физиологическом ритме. Когда мы пытаемся перемотать вперед или назад естественный 24-часовой день, например, когда мы летим на семь часовых поясов от нас, наши циркадные часы не позволяют нам расслабиться; генам и белкам нужно время, чтобы приспособиться. Джетлаг – это ощущение того, что наши клетки «перестраиваются» к своей новой среде, и это новая отправная точка солнечного дня.
Ранее ученые обнаружили, что CLOCK и BMAL1 работают в тандеме, чтобы запустить циркадные часы. Эти гены связываются со многими другими генами и включают их для экспрессии белков. Это позволяет клеткам, таким как клетки мозга, вести себя так, как нам нужно, в начале дня.
В частности, CLOCK и BMAL1 связываются с парой генов, называемых Period и Cryptochrome, и включают их для экспрессии белков, которые после нескольких модификаций в конечном итоге подавляют активность CLOCK и BMAL1.
Затем белки Period и Cryptochrome разрушаются, позволяя циркадным часам снова начинать работу.
«Это цикл обратной связи», – сказал Санкар, открывший для себя Cryptochrome в 1998 году. «Торможение длится 24 часа. Вот почему мы можем видеть, как активность генов повышается, а затем понижается в течение дня.”
Но ученые не знали точно, как это подавление гена и деградация белка происходили в конце. Фактически, во время экспериментов с использованием одного соединения для подавления криптохрома и другого препарата для сдерживания менструального цикла другие исследователи обнаружили противоречивые эффекты на циркадные часы, предполагая, что криптохром и период не имеют одинаковой роли.
Санкар, член Комплексного онкологического центра UNC Lineberger, который изучает восстановление ДНК в дополнение к циркадным часам, считает, что эти два гена могут иметь взаимодополняющие роли. Его команда провела эксперименты, чтобы выяснить.
Крис Селби, доктор философии, инструктор по исследованиям в лаборатории Санкара, использовал два разных вида генетических методов для создания первой в истории клеточной линии, в которой отсутствовали как криптохром, так и период. (Каждая клетка имеет две версии каждого гена.
Селби выбил все четыре копии.)
Затем Руй Е, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Санкара и первый автор статьи о генах и развитии, снова поместил Периода в новые мутантные клетки. Но Period сам по себе не подавлял CLOCK-BMAL1; у него фактически не было активной функции внутри клеток.
Затем Е вернул один криптохром обратно в клеточную линию. Он обнаружил, что Cryptochrome не только подавляет CLOCK и BMAL1, но и подавляет их на неопределенное время.
«Криптохром просто стоял там, – сказал Санкар. "Это не было деградировано. Циркадные часы не могут перезапуститься.”
В последнем эксперименте команда Санкара добавила Period в ячейки с Cryptochrome. Когда белок Периода накапливался внутри клеток, ученые смогли увидеть, что он начал удалять криптохром, а также ЧАСЫ и BMAL1.
Это привело к возможной деградации криптохрома, и тогда гены CLOCK-BMAL1 смогли заново перезапустить циркадные часы, чтобы завершить 24-часовой цикл.
"Что мы сделали, так это показали, как на самом деле работают все часы", – сказал Санкар. «Теперь, когда мы проверяем препараты, нацеленные на эти белки, мы знаем, что ожидаем разных результатов, и почему мы получаем эти результаты. Будь то лечение смены часовых поясов или сезонного аффективного расстройства, или для контроля и оптимизации лечения рака, мы должны были точно знать, как работают эти часы.”
До этого исследования в 2010 году лаборатория Санкара обнаружила, что уровень фермента под названием XPA повышался и понижался синхронно с естественными колебаниями циркадных часов в течение дня.
Команда Санкара предположила, что химиотерапия будет наиболее эффективной, когда XPA находится на самом низком уровне. Для людей это ближе к вечеру.
«Это означает, что восстановление ДНК контролируется циркадными часами», – сказал Санкар. «Это также означает, что циркадные часы в раковых клетках могут стать мишенью для противораковых препаратов, чтобы сделать другие терапевтические препараты более эффективными.”