Что заставляет биологические часы тикать?

Циркадные (суточные) ритмы встречаются у микробов и бактерий, растений и насекомых, животных и людей. Эти внутренние часы возникли как адаптация к резким колебаниям продолжительности светового дня и температуры, вызванным вращением Земли. Однако мы до сих пор не до конца понимаем, как работают эти крошечные биологические механизмы.

На 62-й ежегодной встрече Биофизического общества (17–21 февраля, Сан-Франциско) Энди ЛиВанг из Калифорнийского университета в Мерседе представил работу своей лаборатории по изучению циркадных часов цианобактерий (сине-зелёных водорослей).

Группа ЛиВанга обнаружила, что ключевую роль в функционировании циркадных часов цианобактерий играет почасовое движение белков. «Теперь становится ясно, что то же самое верно и для часов эукариот [животных]», — сказал ЛиВанг.

Циркадные белки цианобактерий уникальны тем, что их можно восстановить in vitro, в пробирке, в отсутствие живых клеток. Исследователи создали раствор этих белков с аденозинтрифосфатом (АТФ), который служит для них «пищей», и получили работающие циркадные часы, функционировавшие в течение нескольких недель.

Лаборатория структурной биологии ЛиВанга использует спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — технологию, лежащую в основе МРТ, — для изучения структуры и динамики белков, чтобы понять их функцию. «Мы также исследуем, как белки изгибаются, колеблются и меняют форму, потому что эти движения... также критически важны для их биологической функции», — пояснил учёный.

Лаборатория также сотрудничает с рентгеновскими кристаллографами, такими как Кэрри Парч из Калифорнийского университета в Санта-Круз, поскольку рентгеновская кристаллография — это мощный метод получения статических структур белков и их комплексов с атомным и почти атомным разрешением.

«Большим сюрпризом для нас стала степень, в которой внутренние движения белков циркадных часов диктуют... их функцию», — отметил ЛиВан. «Статические структуры, полученные методом рентгеновской кристаллографии, в основном решённые другими лабораториями, были бесценны для нашей работы, но рассказывали лишь часть истории».

Белки циркадных часов цианобактерий не идентичны белкам часов животных или человека, но во всех «часовых механизмах» белки служат шестерёнками, пружинами и передачами, и их общая функция схожа.

«Поскольку часовым белкам нужно отсчитывать время, должны существовать некоторые базовые принципы биологического хронометража, общие для всех часов, независимо от того, одинаковы белки или нет», — считает ЛиВанг. «Наши структуры комплексов белков циркадных часов цианобактерий дали важные механистические insights, но это статичные снимки системы, которая непрерывно движется и меняется час от часа».