Всяка от милиардите клетки в нас има свой часовник и следи времето

Повечето процеси, които протичат в нашия организъм се влияят по един или друг начин от денонощния ни цикъл - денем температурата и кръвното ни наляне е по-високо, мускулите ни са по-активни, огладняваме на определени интервали от време, докато с настъпването на нощта апетита, мускулната ни активност, температурата и кръвното ни налягане спадат и ни се доспива, а докато спим храносмилателната ни система и бъбреците ни работят по-бавно (затова на здравите хора рядко им се налага да ходят до тоалетна нощем), а докато спим и мускулите ни са в покой се извършват повечето регенеративни процеси. С настъпването на новия ден всичко това закономерно се повтавя.

Но как се извършва това прецизно синхронизиране между толкова различни системи в организма ни и как милиардите клетки съгласуват дейността си с денонощния цикъл?

Кари Парч (Carrie Partch) била в самия края на постдокторантския си период, когато направила първото си голямо откритие. Като структурен биолог, тя разглеждала база данни за човешките протеини, отбелязвайки тези, които споределят общи части с протеините, които изследвала.

"Просто прехвърлях данните и си мислех "Тези тук са ми много познати," спомня си тя. "Тогава се появи този и той имаше по-различна архитектура на домените, каквато никога не бях виждала". Кари Парч изследвала допълнително този протеин, наречен PASD1, чиято функция била неизвестна. Тя открила, че сред малкото протеини, на които той наподобява бил т.нар. CLOCK. И това я накарало да настръхне - тъй като CLOCK стои в основата на един от най-мащабните и мистериозни процеси в организма ни.

До преди не чак толкова дълго време, се знаело, че почти всяка клетка в почти всяка тъкан от тялото ни следи времето. На всеки 24 часа, в отговор на биохимичен сигнал, група протеини образуват комплекс в клетъчното ядро. Когато се свържат помежду си в близост до генетичния материал, те предизвикват изумителни ефекти: Под тяхно въздействие, хиляди гени се транскрибират до протеини. Клетъчната активност се покачва, тъканите се съживяват, а на организмово ново ние отваряме очите си и леко гладни се настройваме за закуска.

Тези своеобразни протеини-часовници, които получават част от информацията си от мозъка, който реагира на нивото на осветеност, са по-известни като циркадни часовници. Според някои изчисления, те регулират експресията на над 40% от гените в телата ни. Учените продължават да събират все повече доказателства, че циркадните часовници имат съществена роля във всички процеси, от развитие на плода до заболявания. Циркадните часовници са толкова разпространени и толкова важни за функциите на отделните клетки, че дори биолози, чиито обект на изследвания не е свръзан пряко с часовниците осъзнават, че работата им пряко се повлиява от тях.

"Те се сблъскват все по-често с компоненти на часовника," твърди Чарлз Вайц (Charles Weitz), молекулярен биолог от Harvard Medical School. "Това никак не ме изненадва."

Много са клетките, които нямат часовник, но в това число влизат важни примери в биологията като стволовите и раковите клетки. За да разберем как работи молекулярният часовник - и защо, понякога, той спира - Парч решила да съсредоточи работата си върху PASD1. Тя и нейните колеги наскоро са публикували резултатите от своите изследвания в Molecular Cell. Те показват, че PASD1 може би представлява нещо като прекъсвач, което да обясни как различни клетки, като сперматозоиди и ракови клетки, избягват ежедневния режим, който управлява трилиони други клетки в организма ни. Тези открития дават на изследователите още по-задълбочена информация за това как клетъчния часовник тик-така.

Какво общо има една крава с откриването на първия клетъчен часовник

Денонощната цикличност при растения и животни е била източник на очарование от хилядолетия, но едва преди 50 години започнали първите изследванията за установяване на фундаменталните биохимични принципи зад този процес. Много хора проследяват началото на този сфера от науката до една среща в Колд Спрингс Харбър през лятото на 1960-та, където учени се впуснали в бурна дискусия за това кое може да предизвиква циркадните ритми и разработили експерименти, с които да тестват своите теории. През последните 30 години, учените установили мутантни същества с анормални денонощни цикли - мухи-дрозофили, хамстери, дрожди и други - и започнали да разкриват гените, които са необходими за поддържането на нормален ритъм. Изследването на мухи, чиито естествени цикли били 19 или 28 часови или които изобщо нямали разномерен денонощен цикъл, помогнало на пионерите в тези иследвания, Роналд Конопка (Ronald Konopka) и Сеймор Бензер (Seymour Benzer), да открият първото семейство от гени, ключови за работата на този вътрешен часовник, първия от които те нарекли per през далечната 1971 г. Сега знааем, че нивото на продукта на този ген се покачва и спада циклично през денонощието. Само година по-късно, учени докладвали, че малко струпване от клетки в мозъка, наречени супрахиазматични ядра са необходими за поддържането на 24-часовия ритъм при бозайници.

Въпреки това, в продължение на много години не било ясно колко широкоразпространени били ефектите от циркадните ритми - колко съществено повлияват те всичко, което се случва в телата ни. През 1988 г. Ойли Шиблер (Ueli Schibler), сега професор по молекуларна биология в Женевския Университет, изучавал транскрипционните фактори - клетъчни протеини, които контролират превеждането (транскрипцията) на гените до протеини. Един конкретен фактор, изолиран от плъхове, изглежда бил особено важен. Шиблер, заедно с канадския учен-постдок, който изолирал този фактор, публикували своите открития в научното списание Cell. Три месеца по-късно, обаче, студент на име Жером Вуаран (Jérôme Wuarin) поел проекта. Скоро той донесъл на Шиблер доста притеснителни вести.

"Трябва да изтеглите тази публикация," Шиблер си спомня какво му заявил Воарон. "Това е пълна измислица - просто не съществува." Когато Воарон извършил изолацията, той изобщо не успял да открие транскрипционния фактор. Шиблер, приел притесненията му напълно на сериозно и се заел да повтори процедурата. Той с лекота открил транскрипционния фактор.

След няколко седмици, Воарон осъзнал защо не е успял да го открие. Той и канадския постдок извършвали изолацията по различно време на деня. Постдокът, който се събуждал по-късно, обикновено започвал работа около 11 ч. сутринта, убивал плъховете и успявал да изолира транскрипционния фактор в късния следобяд. "Но Воарон е син на фермер," обяснява Шиблер. "Той ставал в 5 ч., издоявал кравите и тогава идвал в лабораторията, където убивал плъховете около 7 ч. сутринта. А по това време протеинът просто го нямало."

Сега се знае, че всеки ден нивата на този транскрипционен фактор започват почти от нулата, което го прави невъзможен за регистриране сутрин и след това нивата му се покачват 300 пъти, поради което постдока на Шиблер лесно успявал да го изолира към средата на деня. Шиблер отбелязва с лека доза ирония, че през всички години от тогава до днес никой не е откривал протеин, чиито нива да осцилират толкова драматично. В случая, откритието било чист късмет.

След това откритие - че разминаване между циркадните ритми на изследователите и тези на плъховете е отговорно за това един протеин привидно да изчезва - Шиблер започнал да изучава циркадните ритми и по-специално контролът, който те оказват въхру транскрипцията. През 1998 г., той и неговите колеги открили нещо неочаквано. В продължение на години, клетките на супрахиазматичните ядра на хипоталамуса се смятали за единстените, които имат свой часовник и те контролират циркадните ритми в останалата част от тялото от разстояние. Но Шиблер и колегите му открили, че мозъкът изобщо не бил необходим за това синхронизиране, нито пък тялото. Два типа плъши клетъчни линии, култивирани в продължение на поколения in vitro, експресирали ритмично своите гени. Към резултатите на учените се прибавили още няколко изследвания, които предполагат, че часовниците в телата ни са много по-широко разпространени, отколкото хората първоначално са смятали.

Оттогава такива са установени в чернодробни, сърдечни, белодробни и др. клетки. По думите на Чарлз Вайц (Charles Weitz), "в буквално всяка тъкан, в която потърсихме". Оказало се, че клетките измерват времето по свой часовник, в допълнение към синхронизиращите сигнали, които получават от супрахиазматичните ядра, където се намира централния часовник. "Почти всяка клетка в организма ни има свой собствен циркаден часовник," обяснява Сачин Панда (Satchin Panda), специалист по циркадни цикли към института Salk. "Това помага на всяка клетка да разбира кога да използва енергия, кога да почива, кога да поправи или да удвои ДНК-то си." Дори клетките, които изграждат косата ни, например, се делят по определено време всяка вечер, открил Панда. Когато пациентите с рак са подложени на лъчетерапия вечер вместо сутрин, те губели много по-малко коса.

Учените са прекарали последните 15 години изучавайки молекулните компоненти на тези периферни часовници, както са известни сега. Голяма стъпка била направена през 2004 г., когато екип от учени ръководени от Йозеф Такахаши (Joseph Takahashi), сега професор в Тексаския Югозападен университет, разработили мишка със светещ PER протеин (с използване на GFP технологията). Когато PER се експресира, клетките на тези мишки светели, а когато не се експресира, съответно - не светели. Това е позволило провеждането на изследвания за проследяване на цикличността на часовника при множество различни обстоятелства в различните тъкани.

Учените открили, че периферните часовници работят с помощта на CLOCK и друг протеин наречен BMAL1, точно както и часовника в супрахиазматичните ядра. Оформяйки комплекс помежду си, тази двойка протеини се прикрепя към генома и привлича други протеини, които стартират транскрипцията на околните гени, включително и гена per. Много от тези гени отговарят за определени физиологични ритми - продукцията на чернодробни ензими около времето за хранене, например, както и варирането на кръвното налягане през различните периоди от денонощието.

Но някои протеини, включително PER, служат като контрабалансьор. PER и неговите партньори постепенно се натрупват в клетката за период от 12 часа и при достигане на определено ниво постепенно започват да потискат активността на CLOCK и BMAL1. За следващите 12 часа, този контрабаланс постепенно спада, докато PER постепенно се разгражда и в крайна сметка CLOCK и BMAL1 отново поемат контрола. Джон Хогенеш (John Hogenesch), хронобиолог към Университета в Пенсилвания е открил, че точно преди мръкване и преди съмване се наблюдава нещо като час-пик за генната експресия, вероятно тъй като тялото се подготвя за различните изисквания за оцеляване на светло и на тъмно. 

Това е добре обособена, самоконтрлираща се система и е изкушаващо да я определим като повсеместно разпространена. Но последните изследвания са разкрили също, че не всяка клетка има часовник. Ембрионалните стволови клетки, които могат да се превърнат в почти всеки тип клетка, не следят времето. Тестисите са може би единствените сред тестваните органи, които също нямат часовник. Много ракови клетки също не поддържат регулярни ритми. Но какво е общото между тях? Тук се намесват откритията на Парч.

Когато молекулните часовници спрат

Едно от първите неща, които Парч разбрала за PASD1 било, че той е характерен за много малко тъкани. Но тези, в които той се открива, са доста интригуващи - тестисите и раковите образувания. Когато Парч станала професор в Калифорнийския университет, в Санта Круз, тя и нейните студенти започнали да добавят PASD1 към клетки със светещ PER. Те открили, че при това интензивността на светене на клетките се понижила до едва доловимо светене, което показва, че PASD1 по някакъв начин разстройва нормалната работа на часовника. И колкото повече PASD1 се добавя, толкова по-слабо светели клетките.

След това Парч и нейните студенти отгледали клетки със светещ PER и синхронизирали всички клетъчни часовници. Светлината при такава култура се появява и затихва под формата на вълна с период от 24 часа, с добре обособени пикове и спадове, която продължава, докато клетките са синхронизирани. Тогава Парч накарала някои от клетките да произвеждат PASD1. В тези клетки, генерираната светлина била по-скоро под формата на примигване, отколкото на вълна - с по-ниски пикове и по-дълбоки спадове между тях - малко след това те напълно изгаснали. Клетките не можели да поддържат своя ритъм. 

Екипът все още се опитва да открие как точно клетките, произвеждащи PASD1 нарушават своя обособен ритъм. Определена част от PASD1 силно наподобява на част от CLOCK, която е абсолютно необходима за циркадните ритми.  "Но никой до ден днешен не знае точно какво прави тази част," разказва Пач. Тя може би се свързва към BMAL1 и така пречи на свързването с CLOCK. Тя се надява, че разбирайки как работи тази важна част от PASD1 молекулата, тя ще разкрие ролята й при CLOCK.

Засега изследванията потвърждават първоначалната теория на Парч, че PASD1 разстройва часовника. Освен това, в тъканите, в които се открива PASD1, той е част от причината, поради която тези клетки не осцилират. Това откритие отваря пътя за по-дълбоки въпроси, като например: След като часовника направлява толкова различни аспекти от поведението на клетките и мутациите в гените на часовника водят до заболявания - те са посочвани като причина за развитие на рак и метаболитни проблеми - тогава защо някои типове клетки нямат часовник или имат доста отслабена негова версия?

"Изглежда има някаква много интересна, но все още неразкрита връзка между някои форми на плурипотентност* и клетъчния часовник", смята Парч.

Липсата на часовник в стволовите клетки може да се дължи на факта, че конкретните гени контролирани от часовника варират много при различните тъкани, разсъждава Парч. Резултатите, получени в лабораторията на Чарлз Вайц, показват, че например чернодробната и сърдечната тъкан споделят едва 8-10% от гените, които осцилират през денонощието. "На стволовите клетки им се налагат да бъдат всичко и нищо едновременно," твърди Парч. Може би клетките, за които още не е ясно какви ще станат, не е разумно да имат часовник.

Причините за наличието на протеина, блокиращ биологичния часовник при рак вероятно са различни. "Ако си тумор и искаш да продължаваш непрекъснато да се делиш, едва ли ще искаш да си ограничен да се делиш само по определено време на деня. Може би става дума за еволюционно предимство - поне при туморите - при което изключването на часовника им дава възможност да се делят винаги, когато имат достатъчно ресурси да го правят, вместо да се нуждаят от допълнителни стимули по определено време на денонощието, за да се делят," смята Хогенеш. Учените от групата на Парч са установили, че дезактивирането на продукцията на PASD1 при две клетъчни линии е повишила осцилациите им и те са станали по регулярни. Това означава, че в бъдещо изследване може да се провери дали дезактивирането на PASD1 може да накара раковите клетки да се делят по-регулярно.

В крайна сметка изследванията на Парч разкриват нещо по-фундаментално.

"Това, че разбрахме как PASD1 влияе на функциите на клетъчния часовник ни показва как работи този часовник", твърди Парч. Точно както е установено, че часовникът повлиява много повече процеси, отколкото се е смятало в началото, така може да се окаже, че PASD1 прави много повече от това просто да повлиява CLOCK и BMAL1. Но това предстои да бъде установено при бъдещи изследвания.

Източник: Wired.com

Още по темата

25/09/2018

Човекът

Британски учени с идея училището да започва в 10 часа

26/04/2015

Медицина

Фотопигмент регулира съня

22/02/2015

Животът

Петунии, които променят оцветяването си според часа (видео)