Представьте, что внутри вас тикают крошечные часы, которые подсказывают, когда пора спать, а когда просыпаться. Эти биологические часы работают с удивительной точностью, их цикл длится примерно 24 часа. Но есть загадка: большинство химических реакций в нашем теле ускоряются, когда жарко, и замедляются на холоде. Почему же тогда наш внутренний хронометр не спешит в сауне и не отстает в мороз? Как он сохраняет свой ритм, когда мы переходим из летнего зноя в прохладу кондиционированного помещения?

Группа исследователей из Японии под руководством Гена Куросавы, кажется, нашла разгадку. Они применили методы теоретической физики, чтобы заглянуть в самую суть этого процесса. Оказалось, все дело в особом рисунке, или, если точнее, в форме активности наших генов.

Подробности опубликованы в издании PLOS Computational Biology.

Основу наших часов задают ритмичные всплески производства матричной РНК (мРНК) — молекул, которые инструктируют клетки, какие белки производить. Эту ритмику можно сравнить с маятником: равномерное качание туда-сюда похоже на идеальную синусоиду на графике. Команда Куросавы проанализировала математические модели этих колебаний с помощью мощного инструмента из физики — метода ренормализационной группы. Этот анализ позволил вычленить самое главное из сложной системы.

Они обнаружили, что при повышении температуры график активности генов не просто ускоряется, а меняет свою форму. Уровень мРНК начинает расти быстрее, а падать — медленнее. Именно это замедление спада и есть ключевой момент. В результате общая продолжительность цикла остается неизменной — те самые стабильные 24 часа. На графике этот ритм при высокой температуре выглядит не как ровная волна, а как скошенная, асимметричная кривая. Ученые называют этот процесс искажением формы сигнала.

Чтобы проверить теорию, ученые обратились к экспериментальным данным на плодовых мушках и мышах. Данные блестяще подтвердили предсказание: у живых организмов при высокой температуре наблюдалось именно такое искажение формы волны. Это доказывает, что искажение формы сигнала — и есть главный механизм температурной компенсации биологических часов.

Но на этом открытия не закончились. Оказалось, что искажение формы волны влияет и на то, как наши внутренние часы синхронизируются со световым днем. Анализ показал: чем сильнее искажение, тем стабильнее и независимее становятся часы, тем меньше на них действуют внешние сигналы, например, свет. Это теоретическое предсказание тоже совпало с экспериментальными наблюдениями за мушками и грибами. Это особенно важно для современного человека, чей режим дня часто далек от естественного цикла дня и ночи.

Наши выводы показывают, что искажение формы волны — важный элемент, который обеспечивает точность и синхронизацию биологических часов, даже когда температура меняется, — говорит Куросава.

Теперь ученые могут сосредоточиться на поиске конкретных молекулярных механизмов, которые замедляют спад уровня мРНК. Также интересно, как этот механизм варьируется у разных видов или даже у разных людей — ведь возраст и индивидуальные особенности наверняка влияют на работу наших внутренних часов.

В долгосрочной перспективе степень искажения формы волны в часовых генах может стать биомаркером, — отмечает Куросава. — Это поможет нам лучше понять природу нарушений сна, джетлага и влияния старения на наши внутренние ритмы. Возможно, это откроет универсальные закономерности в работе всех ритмических систем — не только в биологии.

Реальная польза этого исследования лежит в нескольких плоскостях.

• Во-первых, это фундаментальное понимание принципа работы одного из самых консервативных и важных механизмов в живых организмах. Зная конкретный механизм — «waveform distortion» — мы получаем точку приложения для дальнейших исследований.
• Во-вторых, это прямая дорога к персонализированной медицине. Если степень «скошенности» графика активности генов действительно является индивидуальным маркером, то в будущем мы сможем диагностировать предрасположенность к нарушениям циркадных ритмов, более точно подбирать терапию для людей с бессонницей или посменных работников, минимизировать последствия джетлага, подобрав персональный график адаптации.
• В-третьих, понимание того, как часы становятся более «жесткими» или „гибкими“, может помочь в разработке препаратов, которые будут точечно влиять на синхронизацию часов с окружающей средой, не нарушая их внутренний ход.

Основное замечание заключается в том, что исследование основано на теоретическом моделировании и анализе существующих данных, а не на прямой экспериментальной проверке гипотезы in vitro или in vivo, поставленную именно этой командой. Хотя совпадение с данными по мушкам и мышам убедительно, оно все же является вторичным подтверждением. Идеальным было бы провести независимый эксперимент, в котором можно было бы напрямую наблюдать и манипулировать параметрами, ведущими к искажению формы волны, и смотреть на результат. Кроме того, модель, как и любая другая, является упрощением реальности, и в живом организме на ритмы могут влиять тысячи других факторов, не учтенных в уравнениях.

Ранее мы разбирались, как настроить биологические часы ребенка перед школой.