14.6: Циркадные ритмы и регуляция генов

Биологические часы участвуют во многих аспектах регуляции сложной физиологии у всех животных. В 1935 году немецкие зоологи Ганс Кальмус и Эрвин Бюннинг обнаружили существование циркадного ритма у Drosophila melanogaster. Тем не менее, внутренние молекулярные механизмы, лежащие в основе циркадных часов, оставались загадкой до 1984 года, когда Джеффри С. Холл, Майкл Росбаш и Майкл В. Янг обнаружили экспрессию гена Per, колеблющегося в течение 24-часового цикла. В последующие годы было выявлено множество других ассоциированных генов, и механизм регуляции циркадных ритмов был еще более раскрыт. Вклад Джеффри К. Холла, Майкла Росбаша и Майкла В. Янга в понимание внутренних биологических циркадных часов был отмечен Нобелевской премией по физиологии и медицине в 2017 году.

Молекулярный механизм циркадных ритмов

У дрозофил белок Period (PER) является основным регуляторным белком, контролирующим внутренние циркадные ритмы в клетках. PER образует комплекс с другим важным белком под названием Timeless (TIM) и проникает в ядро. Здесь он может регулировать уровни экспрессии PER в клетке за счет ингибирования обратной связи. Кроме того, он также контролирует экспрессию других генов, подавляя активность активаторов транскрипции Clock и Cycle. Важно отметить, что стабильность комплекса PER/TIM зависит от наличия или отсутствия света, что означает, что он ухудшается в дневных условиях. В результате экспрессия генов ниже по течению от комплекса PER/TIM контролируется светом, и это явление позволяет синхронизировать циркадные часы.

У млекопитающих регуляция циркадного ритма работает очень похожим образом. Однако из-за добавления нескольких паралогических генов регуляция всего пути значительно сложнее, чем у дрозофилы.

Значение циркадных ритмов

Все живые организмы на Земле развивались в присутствии 24-часовых циклов дня и ночи соответствующим образом адаптировали свои клеточные, физиологические и поведенческие реакции. Например, суточные циклы сна и бодрствования, температура тела и выброс гормонов у млекопитающих контролируются циркадными ритмами. Нерегулярные циркадные ритмы могут привести ко многим проблемам со здоровьем, таким как биполярное расстройство или нарушения сна. Кроме того, нарушение циркадных ритмов может привести к неблагоприятным последствиям для других систем организма, включая сердечно-сосудистую систему.