Как взаимодействуют циркадные часы

Множественные биологические часы контролируют суточные ритмы физиологии и поведения у животных и людей. Вопрос о том, связаны ли эти часы между собой и как именно, во многом остается открытым. Новое исследование показывает, что в определенных случаях центральные часы управляют циркадными ритмами.

Циркадные часы — центральные механизмы, управляющие суточными ритмами у всех животных. Однако представление об одном центральном часовом механизме, регулирующем все процессы в организме, неверно. Большинство организмов имеют множество циркадных часов: центральные в мозге и различные периферические в органах и системах.

До сих пор мало известно, как эти часы взаимодействуют, синхронизируются и задает ли центральные часы время для всех остальных. Международная команда ученых из Университета Вюрцбурга и Университета Вальпараисо (Чили) пролила свет на связь между центральными и периферическими часами у плодовой мушки и предоставила экспериментальное доказательство модели «связанных осцилляторов», включающей «главные» и «подчиненные» часы.

Гормон дает сигнал к выходу из куколки

В исследовании ученые сосредоточились на нейронном пути, соединяющем циркадные часы в мозге плодовой мушки с периферическими часами в проторакальной железе, производящей стероидные гормоны. Эта железа интересна тем, что производит гормон экдизон, который дает Drosophila сигнал «взрослеть», определяя момент выхода из куколки. Этот процесс следует строгому расписанию: обычно происходит только ранним утром.

Есть и другой аспект: «У людей есть сопоставимая система, работающая схожим образом», — говорит Марейке Зельхо. У людей аналогичную функцию выполняет кора надпочечников, которая вместо экдизона секретирует глюкокортикоиды, играющие, как считается, центральную роль в синхронизации циркадных часов млекопитающих. Нарушение этой синхронизации у человека может привести к различным заболеваниям — от депрессии до сердечно-сосудистых болезней и метаболических расстройств.

Взаимодействие центральных и периферических часов

Результаты более ранних исследований подтверждают предположение, что центральные часы в мозге плодовой мушки взаимодействуют с периферическими часами проторакальной железы. Оба механизма должны работать, чтобы мушки выходили из куколки в привычное время даже в постоянных условиях, без регулярной смены дня и ночи. При наличии нормального суточного ритма, как в природе, для поддержания выхода ранним утром достаточно только функционирующих периферических часов. Отказ центральных часов в этом случае не проблема.

В поисках соединяющего пути ученые из Вюрцбурга сосредоточились на специфических нейронах, которые могли бы обеспечивать контакт между центральными и периферическими часами, — так называемых PTTH-нейронах. «Они идеально подходят для соединения часов уже благодаря своему пространственному расположению», — говорит Кристиан Вегенер.

Ученым удалось показать, что PTTH-нейроны устанавливают прямую связь между мозговыми часами мушки и их периферическим аналогом. Эксперименты показали, что нейроны центральных часов производят специальный нейропептид, передающий временную информацию PTTH-нейронам. Те, в свою очередь, передают информацию водителю ритма проторакальной железы и регулируют производство экдизона.

Теорию «главных и подчиненных часов» подтвердила работа чилийских коллег. Они искусственно замедляли циркадные часы Drosophila в различных комбинациях и наблюдали влияние на поведение при выходе из куколки.

Результаты:

• Когда оба механизма замедлены, «ритм выхода» увеличивается с обычных 24 часов до более чем 27.
• Аналогичный эффект наблюдается, когда периферические часы работают с нормальной скоростью, а центральные замедлены.
• В обратной ситуации — нормальные центральные часы и замедленные периферические — интервал выхода остается неизменным (24 часа).

«Это первое всестороннее экспериментальное описание пути, связывающего циркадные часы, и оно показывает, что модель связанных осцилляторов в определенных случаях действительно верна», — говорит Кристиан Вегенер. Однако он признает, что до понимания точного взаимодействия циркадных часов еще далеко. Новые данные иллюстрируют, что разнообразные механизмы тесно переплетены и снабжены обратными связями. Поэтому Вегенер уверен, что «будет непросто».