Новое генетическое исследование углубляет понимание внутренних механизмов биологических часов

Исследование Университета Массачусетса в Амхерсте генетических мутаций, влияющих на циркадные ритмы, дает новое представление о цикле отдыха и бодрствования и предоставляет новую модель для изучения болезней человека и разработки методов лечения.

Нарушения внутренних часов организма — координирующих биохимические, физиологические и поведенческие процессы — связаны с рядом заболеваний, включая рак, сердечно-сосудистые патологии, восприимчивость к инфекциям, а также с повышенным риском несчастных случаев. Распространенные нарушения циркадных ритмов — джетлаг и сменная работа, которую выполняют около 30 миллионов человек в США.

В центре исследования — две мутации, обе влияют на способность адаптироваться к сдвигам светового цикла и ускоряют внутренние часы. Они показывают, насколько мы уязвимы к нарушениям светового расписания.

У млекопитающих циркадные ритмы генерируются главным пейсмекером в супрахиазматическом ядре гипоталамуса мозга. Кроме того, каждая клетка тела имеет свои собственные циркадные часы, которые координируются мастер-часами. В нормальных условиях с чередованием света и темноты эти часы создают 24-часовые циклы. В постоянных условиях (например, в темноте) ритмы генерируют циклы с периодом больше или меньше 24 часов, что указывает на наличие внутреннего механизма генерации ритмичности.

В предыдущей работе команда идентифицировала рецессивную мутацию duper как дефект в гене-регуляторе циркадных ритмов Cryptochrome 1 (CRY1) у сирийских хомяков. Улучшив черновой вариант генома хомяка, они создали современную генетическую модель для исследования болезней человека.

В новой работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи сосредоточились на эффектах duper у генетически модифицированных хомяков. Они выявили ранее непредполагаемые функции гена CRY1 в:

• Циркадной синхронизации (подстройке биологических часов под внешние сигналы).
• Влиянии на заболевания сердца.

Duper ускоряет часы в постоянных условиях и позволяет им сдвигаться на целых 180 градусов в ответ даже на кратковременный импульс света. Это может быть важно для понимания эффектов джетлага и сменной работы.

После нарушения циркадных ритмов органы тела восстанавливают свои часы с разной скоростью. Считается, что это временное рассогласование вызывает негативные последствия для здоровья, связанные со сменной работой.

Исследователи обнаружили, что повторная синхронизация циркадных ритмов у мутантных хомяков duper ускоряется независимо от общего ускорения часов. Для изучения последствий рассогласования для здоровья они использовали модель болезни сердца у хомяков, которая усугубляется сдвигами фаз.

Симулированный джетлаг (8-часовые сдвиги фазы каждые две недели) сокращал продолжительность жизни кардиомиопатичных хомяков. Однако у хомяков с мутацией duper сокращенная продолжительность жизни восстанавливалась, так как мутация ускоряла их адаптацию к сдвигу световых циклов.

Для людей с джетлагом или миллионов сменных рабочих может потребоваться дни, а иногда и недели, чтобы разные органы вернулись к нормальным временным взаимоотношениям. Даже воздействие света поздним вечером (от экранов телефонов и компьютеров) может нарушить циркадную систему.

Выводы и последствия:

1. Необходимо учитывать влияние окружающей среды на биологические часы (например, контроль освещения в больничных палатах).
2. Понимание ритмов органов критически важно для хронотерапии — времени приема лекарств, так как многие препараты более эффективны в определенное время суток из-за регуляции метаболических путей циркадными часами.

Дальнейшие исследования будут направлены на выявление основных механизмов биологических часов и их роли в заболеваниях.