Несколько молекулярных машин управляют биохимическими часами организма
Циркадные часы — биохимические осцилляторы, контролирующие физиологию, метаболизм и поведение с циклом около 24 часов — есть у всех форм жизни. Однако молекулярные механизмы, которые их «заводят», оставались в основном неизвестными.
В исследовании, опубликованном 7 сентября в Molecular Cell, команда под руководством Чарльза Вайца из Гарвардской медицинской школы показала, что набор ключевых белков часов самоорганизуется в несколько молекулярных машин, управляющих работой циркадных ритмов. Это первое структурное представление о механизме часов, которое объясняет, как они работают, и помогает понять нарушения (расстройства сна, метаболические сбои, рак), возникающие при их поломке.
В конце 1990-х Вайц и другие исследователи обнаружили ключевые белки системы: три разных белка периода (PER), два разных криптохрома (CRY) и казеинкиназу-1 (CK1). Когда эти белки накапливаются в клетке и попадают в ядро, они связываются с белком CLOCK-BMAL1, прикрепленным к ДНК, ответственной за производство PER и CRY. Это останавливает производство PER и CRY. Когда их уровень падает, CLOCK-BMAL1 снова активируется, и цикл повторяется. Весь цикл обратной связи занимает около 24 часов.
Чтобы выяснить, как именно эти белки управляют часами, исследователи использовали метод селективного выделения белков из ядер клеток печени мыши на пике отрицательной обратной связи. Они обнаружили один крупный белковый комплекс, включающий все шесть ключевых белков часов (три PER, два CRY и CK1), около 30 вспомогательных белков и связанный с CLOCK-BMAL1. Электронная микроскопия показала, что комплекс имеет квазисферическую форму.
Эксперименты в других тканях (почках, мозге) выявили тот же крупный комплекс, названный PER-комплексом. Это говорит о его универсальности в организме и о том, что ключевые белки работают не по отдельности, а организованно, управляя циклом обратной связи.
Исследуя цитоплазму клеток, ученые обнаружили еще четыре комплекса из разных комбинаций шести белков. Один из них, «верхний комплекс», содержал все шесть белков и седьмой — GAPVD1, известный своей ролью в транспорте веществ внутри клетки. Удаление GAPVD1 из комплекса нарушало циркадный цикл, что указывает на его ключевую роль в работе часов.
Точная схема взаимодействия этих белков еще требует изучения. Однако понимание их организации дает ключ к работе всей системы.
«Циркадные часы — это глубокая временная система, контролирующая физиологию и поведение всех клеток тела. Чем больше мы узнаем о ней, тем больше связей обнаружим с заболеваниями, которые сегодня плохо поддаются лечению. Теперь, когда мы понимаем, как построены эти молекулярные машины, мы можем начать задавать вопросы о том, как они работают», — сказал Чарльз Вайц.