Исследователи под руководством Гена Куросавы из Центра междисциплинарных теоретических и математических наук RIKEN в Японии с помощью теоретической физики выяснили, как наши биологические часы поддерживают стабильный 24-часовой цикл даже при изменении температуры. Ученые обнаружили, что это постоянство достигается за счёт незначительного изменения ритмов активности генов при более высоких температурах. Этот процесс известен как искажение формы сигнала. Он не только помогает поддерживать стабильный ритм, но и влияет на то, насколько хорошо наши внутренние часы синхронизируются с циклом смены дня и ночи. Исследование было опубликовано в PLOS Computational Biology.
Вы когда-нибудь задумывались, как ваш организм понимает, что пора спать или просыпаться? Ответ прост: у человека есть биологические часы, которые работают примерно по 24-часовому циклу. Но поскольку большинство химических реакций ускоряются при повышении температуры, то, как наш организм приспосабливается к изменению температуры в течение года или даже когда мы перемещаемся из помещения с кондиционером на улицу и обратно, остаётся загадкой.
Наши биологические часы приводятся в действие циклическими паттернами мРНК — молекул, кодирующих выработку белка, — которые возникают в результате ритмичного включения и выключения определенных генов. Точно так же, как движение маятника вперед-назад с течением времени можно математически описать как синусоидальную волну, плавно поднимающуюся и опускающуюся снова и снова, так же может изменяться и ритм выработки мРНК.
Ученые использовали методы теоретической физики для анализа математических моделей, описывающих ритмичное повышение и понижение уровня мРНК. В частности, они применили метод ренормализационной группы, чтобы выделить критическую медленно изменяющуюся динамику в системе ритмов мРНК. Анализ показал, что при более высоких температурах уровень мРНК должен повышаться быстрее, а снижаться медленнее, но продолжительность одного цикла должна оставаться неизменной. На графике этот высокотемпературный ритм выглядит как искажённая, асимметричная волна.
Но происходит ли это изменение на самом деле? Чтобы проверить теорию на реальных организмах, исследователи проанализировали экспериментальные данные, полученные при изучении плодовых мушек и мышей. Действительно, при более высоких температурах у этих животных наблюдались прогнозируемые искажения формы сигнала, что подтверждает соответствие теоретических прогнозов биологической реальности. Исследователи пришли к выводу, что искажение формы сигнала является ключом к температурной компенсации биологических часов, в частности к замедлению снижения уровня мРНК в течение каждого цикла.
Команда также обнаружила, что искажение формы сигнала влияет на то, насколько хорошо биологические часы синхронизируются с сигналами окружающей среды, такими как смена дня и ночи. Анализ показал, что чем сильнее искажается форма сигнала, тем стабильнее работают биологические часы и тем меньше на них влияют сигналы окружающей среды. Это теоретическое предсказание согласуется с экспериментальными наблюдениями за мухами и грибками и имеет большое значение, поскольку для большинства людей нерегулярные циклы смены дня и ночи являются частью современной жизни.
«Искажение формы сигнала играет ключевую роль в поддержании точности и синхронизации биологических часов даже при изменении температуры», — говорит Куросава. Он добавляет, что будущие исследования могут быть направлены на выявление точных молекулярных механизмов, которые замедляют снижение уровня мРНК, приводящее к искажению формы сигнала. Ученые также надеются изучить, как искажение варьируется в зависимости от вида или даже от конкретного человека, поскольку возраст и индивидуальные особенности могут влиять на работу наших внутренних часов.
«В долгосрочной перспективе, — отмечает Куросава, — степень искажения формы сигнала в генах, отвечающих за циркадные ритмы, может стать биомаркером, который поможет понять нарушения сна, синдром смены часовых поясов и влияние старения на наши внутренние часы. Это также поможет выявить универсальные закономерности в работе ритмов — не только в биологии, но и в тех системах, где задействованы повторяющиеся циклы».
[Фото: Gen Kurosawa / RIKEN]
