Точные биологические часы при любой интенсивности света

Как циркадные часы точно синхронизируются с циклом день/ночь, несмотря на сильные колебания интенсивности света в течение дня или от одного дня к другому? Французские исследователи из Обсерватории океанологии в Баниуле (CNRS) провели математический анализ профилей активности двух ключевых генов циркадных часов микроскопической зелёной водоросли. Исследование показало, что часы чувствительны к свету только тогда, когда они рассинхронизированы и их нужно сбросить. Работа опубликована в журнале PloS Computational Biology.

Смена дня и ночи создаёт периодические изменения в окружающей среде (свет, температура). Большинство организмов, включая человека, предвосхищают их благодаря внутренним циркадным (биологическим) часам. Эти часы работают с периодом, близким к 24 часам. Их основу составляют гены, которые взаимодействуют, взаимно модулируя свою активность. Активность этих генов спонтанно осциллирует с периодичностью около 24 часов.

Чтобы эта биохимическая осцилляция была синхронизирована с циклом день/ночь, хотя бы один из её молекулярных компонентов должен быть светочувствительным. Однако солнечная радиация может значительно колебаться из-за облачности. Эти вариации могли бы случайным образом рассинхронизировать часы.

Исследователи проанализировали циркадные часы одноклеточной морской водоросли Ostreococcus tauri, основные свойства которой можно объяснить осциллятором из двух генов. Они измеряли активность этих двух генов и производимых ими белков с регулярными интервалами (каждые 2–3 часа) в течение 24 часов. Затем физики построили математические модели, чтобы воспроизвести полученные кривые активности.

Простейшая модель идеально соответствует данным: два гена регулируют друг друга и образуют осциллятор, который точно синхронизируется с циклом освещения. Парадоксально, но эта математическая модель лишь в исключительных случаях связана со светом: связь с светом активируется только в определённые моменты дня. В остальное время свет не влияет на синтез и деградацию измеряемых белков, так как информация о свете не достигает осциллятора.

Более того, в момент, когда связь активирована (при правильно установленных часах), осциллятор нечувствителен к внешним возмущениям. Осциллятор можно сравнить с качелями, которые раскачивают периодическим толчком. В зависимости от момента толчка, действие может замедлить движение, ускорить его или не оказать эффекта.

Благодаря такому точному таймингу, правильно установленные часы "слепы" к циклу день/ночь и, следовательно, к колебаниям света из-за облачности. С другой стороны, если часы рассинхронизированы (например, при смене часовых поясов или простом сбое), связь со светом происходит в другой фазе колебания и может воздействовать на осциллятор, чтобы сбросить его. Таким образом, простая динамическая механизм объясняет надёжность циркадных часов.

Исследователи теперь проверят, применимы ли эти результаты ко всем циркадным часам, особенно у человека, где задействовано около пятнадцати генов. Существующие модели не учитывают колебания света в течение дня. Подвергая их таким возмущениям, учёные смогут проверить их устойчивость.