Биологические часы организма – 12 или 24?

Некоторая активность организма (например, сон) по большому счету происходит с повторением каждые 24 часа; она следует так называемому циркадному ритму. Другие физические функции – такие как температура тела, процессы обработки и усвоения информации и колебания артериального давления – используют дополнительный 12-часовой цикл, но о биологической основе их ритма мало что известно. Группа ученых из различных организаций, включая Бейлорский медицинский колледж, доказала, что, помимо 24-часового цикла, млекопитающие и другие организмы следуют 12-часовому циклу, который вполне автономен, работает независимо от 24-часового цикла и может изменяться под воздействием внешних факторов. Изучение 12-часовых биологический часов организма имеет особенное значение для медицины, потому что сбой этого цикла связан с возникновением болезней человека.

Статья с результатами исследования вышла в журнале «Cell Metabolism».

«Наша лаборатория работает над пониманием того, как регулируются 24-часовые циклы, и мы и другие ученые доказали, что вмешательство в эти биологические часы может привести к заболеваниям обмена веществ, – говорит главный автор исследования доктор наук Берт О'Мэлли, глава и профессор кафедры молекулярной и клеточной биологии в Медицинском колледже Бейлора. – Например, экспериментальные данные показывают, что работники, которые периодически чередуют ночные и дневные смены, или люди, которые путешествуют через океан, часто меняют свои циклы сна, и это, по-видимому, делает их склонными к увеличению веса и развитию диабета и других метаболических нарушений, что может привести к развитию серьезных заболеваний. Идея регулярно нарушать циркадный ритм – не из самых лучших».

В дополнение к физиологической активности организма, которая изменяется с циклом в 24 часа, у млекопитающих и других организмов представлены также виды активности, которые повторяются с циклом в 12 часов. Например, уже сообщалось, что артериальное давление, температура тела, уровни гормонов и ответ на терапию изменяются согласно 12-часовым циклам. Кроме того, сбой 12-часовых циклов был связан с развитием заболеваний у человека. Другие исследователи идентифицировали около 200 генов, которые активируются каждые 12 часов. В этом исследовании О'Мэлли и его коллеги решили определить, есть ли еще гены, зависящие от 12-часовых циклов, и отвечают ли их циклы определению «биологических часов», то есть функционируют ли они автономно и могут ли их колебания быть скорректированы с помощью факторов окружающей среды.

Доктор наук Бокай Чжу, главный автор этого исследования и постдокторант из лаборатории О'Мэлли, провел биологические анализы для определения изменения активности тысяч генов мышей с течением времени. После этого его соавторы доктор наук Клиффорд Даксо, профессор молекулярной и клеточной биологии в Медицинском колледже Бейлора, и доктор математических наук Атанасиос Антулас, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Райса, использовали математический анализ этих биологических данных.

«Мы были удивлены, обнаружив более 3000 генов, которые экспрессировались в 12-часовом цикле. Большая часть этих генов пересекалась с уже известной 24-часовой активностью генов», – говорит Чжу.

Дальнейшая работа показала, что 12-часовые ритмы генетической активности функционируют как биологические часы. Они регулярно и автономно происходят в клетках, и их колебания могут быть синхронизированы с помощью некоторых внешних раздражителей. О'Мэлли и его коллеги обнаружили, что 12-часовые часы не зависят от 24-часовых часов. Когда они экспериментально устранили влияние 24-часового цикла, 12-часовые часы продолжали «тикать». Кроме того, внешние сигналы (такие, как солнечный свет и т.п.), которые могут оказывать влияние на 24-часовые часы, не влияют на 12-часовые часы.

«Из всех проанализированных нами генов выделялись два набора с 12-часовыми циклами: те, которые были связаны с контролем качества белков и процессинга, в основном функционирующие в клеточной структуре под названием эндоплазматический ретикулум, и те, которые касались энергоснабжения клетки, в митохондриях, – объясняет Чжу. – Активность эндоплазматического ретикулума и митохондрий зависят друг от друга, и в нашем исследовании мы доказали, что 12-часовые гены в эндоплазматическом ретикулуме синхронизированы с 12-часовыми генами в митохондриях, что обеспечивает поступление  энергии, необходимой  для процессинга».

«Кроме того, мы обнаружили, что некоторые заболевания печени связаны с нарушенной 12-часовой экспрессией генов у мышей. Мы предполагаем, что дальнейшее изучение 12-часовых циклов может привести в будущем к новым возможностям сделать более качественными профилактику и лечение заболеваний печени и других органов», – добавляет О'Малли.