Математика и биология открывают неожиданные биоритмы
Новый математический подход выявил, что некоторые животные клетки имеют устойчивые 12-часовые циклы генетической активности в дополнение к циркадным или 24-часовым циклам. Метод, опубликованный в журнале PLOS ONE, оценивал периодичность данных об экспрессии генов и сравнивал результаты с полученными другими вычислительными методами. В отличие от других методов, этот новый подход показал не только существование непредвиденных биологических циклов, но и то, что 12-часовые циклы работают независимо от 24-часовых, что было подтверждено лабораторными экспериментами. Эти открытия открывают новую область изучения того, как функции генов во времени влияют на здоровье и болезни.
"Циркадные ритмы — это физические, психические и поведенческие изменения, следующие 24-часовому циклу, обусловленному светом и темнотой окружающей среды. Один из наиболее известных циркадных циклов — сон ночью и бодрствование днем", — сказал автор-корреспондент доктор Клиффорд К. Даксо. — "Эти биологические ритмы отражают сложные взаимодействия на молекулярном уровне, происходящие между путями, опосредующими экспрессию генов в активные белки, выполняющие функции в клетке".
Однако есть свидетельства, что помимо 24-часовых ритмов существуют и другие биологические циклы. Например, артериальное давление, температура тела, когнитивные способности, некоторые циркулирующие гормоны, реакция на стресс и ответ на лекарственную терапию, по-видимому, следуют 12-часовому ритму, но о его биологической основе известно мало. Даксо и его коллеги решили найти ответы.
"Мы решили, что нам нужно применить непредвзятый математический подход, отличный от тех, которые использовали другие группы", — сказал Даксо.
Когда математика встречается с биологией
Исследователи применили математический метод, который Антулас использовал для анализа электронных цифровых сигналов, для анализа биологического явления, а именно данных об экспрессии генов, собранных каждый час в течение 36 часов. Они проанализировали более 18 000 генов печени мыши, участвующих в различных клеточных процессах, включая метаболизм, клеточный стресс, клеточный цикл и клеточное дыхание.
"Наш метод выявил фундаментальные циклы, присутствующие в каждом наборе данных, собранных для каждого гена", — сказал Антулас. — "Мы подтвердили 24-часовые циркадные циклы и обнаружили гены, экспрессия которых с течением времени следовала 12-часовому циклу, который не был очевиден при использовании других вычислительных методов".
"Мы внимательнее изучили 12- и 24-часовые циклы", — сказал Даксо. — "Метод матричного карандаша показал, что эти циклы независимы, и это было подтверждено лабораторными экспериментами, показывающими, что "нокаут" генов, следующих 24-часовому циклу, не влияет на паттерн экспрессии 12-часовых генов".
"Глядя на функцию генов во времени, в отличие от рассмотрения отдельного момента, мы обнаружили, что фундаментальные клеточные функции, такие как воспаление, реакция на стресс, контроль качества белков и снабжение энергией, следуют определенным циклам", — сказал Даксо. — "Это открытие имеет огромное значение для переопределения аспектов здоровья человека, контролируемых генами".
"Мы и другие показали, что нарушение 24-часовых часов может привести к заболеваниям обмена веществ", — сказал соавтор доктор Берт О'Мэлли. — "Мы предполагаем, что нарушение других циклов также может повлиять на здоровье и болезнь".