15.11.8: Циркадні ритми у дрозофіл та ссавців
- Page ID
- 5510
Усі еукаріоти та деякі мікроби (наприклад, ціанобактерії) відображають зміни активності генів, біохімії, фізіології та поведінки, які віск і слабшають протягом циклу днів і ночей.
Приклади:
- Рівень гормону мелатоніну, який піднімається у вашому організмі протягом ночі і падає протягом дня.
- Плодові мухи (Drosophila melanogaster) вилуплюються в найбільшій кількості якраз на світанку.
Навіть коли організм знаходиться в постійних умовах (наприклад, безперервна темрява), ці ритми зберігаються. Однак без екологічних сигналів вони, як правило, дещо довші або дещо коротші за 24 години, що породжує назву циркадних ритмів (L. circa = близько; вмирає = день).
Генетика та молекулярна біологія циркадних ритмів вивчалися в декількох модельних організмах, включаючи
- деякі одноклітинні еукаріоти
- гриби
- рослини (Арабідопсіс)
- безхребетні (дрозофіли)
- ссавці (миші, щури та люди)
Що виникло, - це деякі чудові подібності механізмів у цих різних групах. Розберемо докладно механізм у дрозофіли.
Циркадний годинник у дрозофілах
Ряд генів у дрозофіл включається при впливі на тварину світла:
- ефекторні гени, продукти яких опосередковують реакції тварини (наприклад, вилуплення або линька)
- годинникові гени, продукти яких регулюють циркадний годинник. Двома ключовими членами цієї групи є:
- період (за)
- позачасовий (час)
Активація всіх цих генів вимагає, щоб їх промотори були пов'язані факторами транскрипції білка.
- CLOCK закодований генним годинником (clk)
- ЦИКЛ закодований генним циклом (цик)
(Назви білків будуть позначені великими латинськими літерами; гени, які їх кодують, вказані малим курсивом.)
Механізм
Рис.15.11.8.2 Механізм
- Білки PER і TIM (синтезовані на рибосомах в цитоплазмі) утворюють димери.
- Коли концентрація цих стає досить високою (рано ввечері), вони дисоціюються і транспортуються в ядро.
- Тут PER
- зв'язується з факторами транскрипції CLK/CYC, видаляючи їх з промоторів генів, які вони активують; таким чином вимикаючи транскрипцію. Оскільки ці гени включають per and time, результатом є негативний цикл зворотного зв'язку; тобто продукт кожного гена пригнічує власний синтез (а також синтез часу). Подібно до того, як тепло печі перетворюється через термостат - власне виробництво відключається, так підвищення рівня димерів PER/TIM відключає подальший їх синтез. Коли рівень потім падає, це гальмування знімається і активність PER/TIM починається заново.
- включає експресію генів годинника.
- Час, необхідний для різних ефектів, призводить до того, що рівні PER/TIM та CLOCK коливаються в протилежних фазах з циркадним (~24 год) ритмом (малюнок).
Налаштування годинника
Навіть без будь-яких зовнішніх сигналів (наприклад, чергування світла і темряви), цикли зберігаються, хоча вони, як правило, відходять від часу навколишнього середовища.
- У природних умовах годинник точні.
- Це пояснюється тим, що вони «встановлюються» (синхронізуються) екологічними сигналами, з яких світло є одним з найважливіших.
У дрозофіли вона працює так.
- Світло (синій) поглинається білком криптохрома (CRY).
- Це спричиняє аллостеричну зміну його конформації, що дозволяє йому зв'язуватися з TIM та PER.
- Це призводить до того, що TIM і PER руйнуються (в протеасомах), припиняючи їх гальмування транскрипції генів.
- Якщо це відбувається, коли рівень PER/TIM підвищується (пізно в «день»), він встановлює годинник назад.
- Якщо це відбувається, коли рівень PER/TIM знижується (пізно в «ніч»), він встановлює годинник вперед.
Циркадний годинник у ссавців
Циркадні годинник у ссавців нагадують, що у дрозофіли в ряді способів, при цьому багато генів-учасників є гомологічними. Однак є деякі відмінності:
- Факторами транскрипції, які включають світлоіндуковані промотори, є димери білка CLOCK та білка, позначеного BMAL1. Ці димери включаються
- три на гени
- два гени Cry, гени, що кодують криптохром
- сотні ефекторних генів, продукти яких контролюють найрізноманітніші метаболічні функції (наприклад, клітинне дихання, гліколіз, глюконеогенез, ліпідний обмін)
- МРНК PER і CRY експортуються в цитоплазму, де вони транслюються.
- Білки PER і CRY потім потрапляють в ядро, де вони інгібують CLOCK-BMAL1, таким чином вимикаючи транскрипцію Per і Cry, а потім деградують в протеасомах.
Згодом ці дії дозволяють CLOCK і BMAL1 ще раз стимулювати транскрипцію Per і Cry. Таким чином, цей негативний цикл зворотного зв'язку змушує рівні BMAL1 та PER/CRY коливатися в протилежних фазах (як це роблять CLOCK та PER/TIM у дрозофіли).
Багато тканин ссавців, наприклад, печінка, скелетні м'язи та бета-клітини підшлункової залози, мають ендогенні годинники. Але всі вони знаходяться під контролем «головного годинника», супрахіазматичного ядра (СКН) - скупчень нейронів в гіпоталамусі.
Рівень у крові багатьох гормонів має сильні циркадні ритми. Приклади:
- гормони, синтезовані в гіпоталамусі, наприклад вазопресин
- чия секреція контролюється гіпоталамусом, таким як гормон росту та кортизол
- інсулін
Налаштування годинника
По світлу
Миші, які повністю сліпі (не вистачає як стрижнів, так і шишок), не мають проблем з утриманням своїх циркадних годин на час.
Вони здатні це зробити, тому що
- Деякі 1-2% гангліозних клітин у сітківці - замість того, щоб залежати від сигналів, що надходять від стрижнів та/або конусів, виявляють світло безпосередньо.
- Ці гангліозні клітини мають розгалужену мережу дендритів, які містять пігмент меланопсин.
- Під впливом світла (розсіяне світло добре) ці гангліозні клітини деполяризуються і посилають свої сигнали назад в супрахіазматичне ядро (СКН).
По харчуванню
У мишей годинник SCN, встановлений циклами світлі/темряви, є головним годинником до тих пір, поки їжа доступна весь час (нормальна ситуація в лабораторії). Однак якщо їжа пропонується лише протягом 4-годинного періоду, коли миші зазвичай сплять, вони перекладають кілька циркадних заходів, щоб, наприклад, раз на день вони починають бігати безпосередньо перед тим, як очікують, що їм буде дано їжу. Цей ритм триває, навіть якщо мишей тримають в постійній темряві.
Механізм годинника такий же, як і годинник, керований світлом темрявою в SCN, але техніка, яка встановлює годинник їжею, знаходиться в іншій частині гіпоталамуса, дорсомедіальних ядрах гіпоталамуса (ДМГ).
Миші з обома копіями гена Bmal1 вибиті, не в змозі встановити циркадні ритми ні світла, ні їжі. Однак ін'єкції аденоасоційованого вірусного вектора (AAV), що містить ген Bmal1
- в SCN відновлює світловий годинник, але не годинник, встановлену їжу
- в DMH відновлює їжу, але не світло встановлений годинник.
Розлади сну
На відміну від мишей, люди, які повністю сліпі, не можуть встановити годинник у своєму SCN. В результаті їх циркадний ритм виходить з фази з фактичним циклом дня і ночі. Цих людей часто турбує відчуття сонливості вдень і широко неспання, коли вони хочуть спати вночі. Доповідь у випуску журналу медицини Нової Англії за 12 жовтня 2000 року розповідає про групу сліпих людей, які змогли встановити годинник за допомогою дози (10 мг) мелатоніну перед сном. Однак це лікування працювало лише тоді, коли циркадний ритм суб'єкта дрейфував так, що нормальний підйом мелатоніну з шишкоподібної залози відбувався раннім вечором; тобто дозу мелатоніну довелося давати, коли він міг підвищити ендогенний рівень гормону.
Деякі люди страждають розладом, який називається сімейним синдромом фази сну (ФАСПС). Як випливає з назви, він успадковується («сімейний»), і їх циркадні годинники працюють швидко («просунутий»). Ті, хто страждає, як правило, прокидаються на кілька (до чотирьох) годин раніше, ніж зазвичай.
Однією з причин розладу виявляється точкова мутація в гені PER2 людини. Саме те, як ця мутація викликає укорочення циркадного циклу, все ще досліджується.
Фотоперіодизм
Багато рослин і тварин не тільки беруть участь у циклі повсякденних занять (відкриття квітів, пробудження, годування тощо), але і в сезонних заходах.
- У рослин такі речі, як виробництво квітів і внесення бутонів сплячими при підготовці до зими.
- У тварин такі речі, як підготовка до мігрування та входження та виходу зі сплячки.
Найнадійніша підказка до зміни сезону - тривалість дня (температура набагато менш надійна!). Чим далі рослина або тварина живе на північ або південь від екватора, тим більш виражено змінне співвідношення денних годин до нічних годин зі зміною сезонів.
Тож не дивно, що і рослини, і тварини в основному залежать від фотоперіоду, щоб підготуватися до змін сезонної діяльності. І який кращий спосіб виміряти відносну довжину дня і ночі, ніж заручитися механізмами, за допомогою яких захоплюються циркадні ритми?
Що стосується тварин, недавня робота з дрозофілами говорить про те, що ця тварина використовує два циркадних годинника для спостереження за мінливою тривалістю дня і ночі.
- «Вечірній» годинник, який бере на себе в довгі дні літа.
- «Ранковий» годинник, який гальмується світлом, але бере на себе, коли ночі стають довшими;
Молекулярна техніка (Cry, Tim, Per і т.д.) для кожного годинника обмежується окремими нейронами в двох різних відділах мозку.
У цих експериментах дрозофіла використовує два годинники для адаптації щоденних, а не сезонних - циклів активності до мінливих сезонів. Але це обладнання для вимірювання фотоперіоду може дозволити їм підготуватися до сезонних змін активності, наприклад, припинити формування яєць наприкінці літа. Однак інші дослідження, що вивчають такі сезонні зміни дрозофіл, виявляють, що фотоперіодична відповідь не залежить від циркадних реакцій. Тому ми повинні чекати більше експериментів, щоб вирішити питання.