Учёные собрали биологические часы в пробирке для изучения их работы
Суточные циклы практически каждого аспекта нашей физиологии управляются биологическими часами (также называемыми циркадными) в наших клетках. Циклические взаимодействия часовых белков синхронизируют биологические ритмы жизни с суточным циклом дня и ночи. Это происходит не только у людей и других сложных животных, но даже у простых одноклеточных организмов, таких как цианобактерии.
Команда учёных реконструировала циркадные часы цианобактерий в пробирке. Это позволило им в реальном времени изучать ритмичные взаимодействия часовых белков и понять, как эти взаимодействия позволяют часам контролировать экспрессию генов. Исследование, опубликованное 8 октября в Science, — результат сотрудничества трёх лабораторий из UC Santa Cruz, UC Merced и UC San Diego.
"Реконструкция сложного биологического процесса, такого как циркадные часы, с нуля действительно помогла нам понять, как часовые белки работают вместе, и позволит добиться гораздо более глубокого понимания циркадных ритмов", — сказала Кэрри Парч, профессор химии и биохимии в UC Santa Cruz и соавтор исследования.
Парч отметила, что молекулярные детали циркадных часов удивительно похожи у цианобактерий и людей. Наличие функционирующих часов, которые можно изучать в пробирке (in vitro), а не в живых клетках (in vivo), предоставляет мощную платформу для исследования механизмов часов и их реакции на изменения. Команда провела эксперименты в живых клетках, чтобы подтвердить, что их результаты in vitro соответствуют работе часов в живых цианобактериях.
"Эти результаты были настолько удивительными, потому что обычно результаты in vitro в некоторой степени не согласуются с тем, что наблюдается in vivo. Внутренняя среда живых клеток чрезвычайно сложна, в отличие от гораздо более простых условий in vitro", — сказал Энди ЛиВанг, профессор химии и биохимии в UC Merced и соавтор статьи.
Новое исследование основано на предыдущей работе японских учёных, которые в 2005 году реконструировали циркадный осциллятор цианобактерий — базовый 24-часовой петлю отсчёта времени часов. Осциллятор состоит из трёх родственных белков: KaiA, KaiB и KaiC. В живых клетках сигналы от осциллятора передаются через другие белки для контроля экспрессии генов в циркадном цикле.
Новая система in vitro включает, помимо белков осциллятора, два киназных белка (SasA и CikA), активность которых изменяется при взаимодействии с осциллятором, а также ДНК-связывающий белок (RpaA) и его ДНК-мишень.
"SasA и CikA соответственно активируют и деактивируют RpaA, так что он ритмично связывается и отсоединяется от ДНК", — пояснил ЛиВанг. — "У цианобактерий это ритмичное связывание и отсоединение более чем на 100 различных участках их генома активирует и деактивирует экспрессию многочисленных генов, важных для здоровья и выживания".
Используя методы флуоресцентного мечения, исследователи смогли отслеживать взаимодействия между всеми этими компонентами часов, в то время как вся система осциллировала с циркадным ритмом в течение многих дней и даже недель. Эта система позволила команде определить, как SasA и CikA повышают устойчивость осциллятора, поддерживая его работу в условиях, при которых белки KaiABC сами по себе перестали бы осциллировать.
Исследователи также использовали систему in vitro для изучения генетических причин нарушения работы часов у аритмичного штамма цианобактерий. Они идентифицировали единственную мутацию в гене RpaA, которая снижает эффективность связывания белка с ДНК.
"Единственное изменение аминокислоты в факторе транскрипции заставляет клетку терять ритм экспрессии генов, даже если её часы intact", — сказала соавтор Сьюзан Голден, директор Центра циркадной биологии в UC San Diego.
"Истинная красота этого проекта заключается в том, как команда, собранная из трёх кампусов UC, объединилась, чтобы объединить подходы к ответу на вопрос, как клетка может определять время", — добавила она.