Ученые поняли, как устроены биологические часы

Они обратились к цветущим растениям, чтобы понять, как функционирует человеческий цикл сна и бодрствования. Ученым удалось определить молекулярную структуру белка фотолиазы, который похож на светочувствительный белок криптохром, управляющий внутренними часами человека и прочих млекопитающих.

Людям необходимо не просто высыпаться, но и спать в определенные часы, чтобы организму не приходилось постоянно перестраиваться. В ряде случаев, когда работать приходится более 8 часов, и когда отдохнуть в обеденный перерыв час-другой проще, чем добираться через весь город домой, многие предпочитают снять квартиру на сутки Москва, поскольку этот выход оказывается в итоге и доступней, и эффективней.

В ходе исследования ученым удалось определить, как структурные изменения влияют на функцию таких белков.

«Структура фотолиазы у растений представляет собой лучшую модель для того, чтобы понять, как действуют криптохромы в человеческих биологических часах», говорить ведущий исследователь доктор философии Кеничи Хитоми. «Это как впервые узнать, где в автомобиле находится двигатель. Когда вы точно знаете, каковы самые важные составляющие белка, не составляет труда узнать, как он функционирует».

Теперь, когда ученые выяснили это, они смогут начать устанавливать часы тогда, когда будет нужно, добавляет профессор Элизабет Гетцофф из института химической биологии Skaggs.

«Помимо расшифровки механизма работы часов перед нами стоит и долгосрочная цель — разработка лекарства, которое поможет людям переустановить свои внутренние часы. В первую очередь это касается тех, кто работает в ночную смену или путешествует на большие расстояния», продолжает она.

По словам Хитоми, до настоящего времени никому не удавалось определить кристаллическую структуру криптохрома, так как эти белки постоянно находятся в нестабильном состоянии. В ходе исследования Хитоми изучал растение Arabidopsis thaliana, растущее в Европе и Азии, которое частенько используется учеными в качестве образца для изучения генов.

Как и все растения, это также содержит белки фотолиазы, которые используют синий свет для восстановления пораженной в результате ультрафиолетового воздействия ДНК. Эти белки были найдены также у некоторых бактерий и животных, но у человека их обнаружить не удалось. С другой стороны, у людей и млекопитающих есть похожий на фотолиазу белок — криптохром, который и модулирует циркадные часы.

«Это удивительное семейство белков выполняет различные действия у растений и животных, и все же они имеют одну структуру и нуждаются в одном и том же факторе, необходимом для активизации», сказала Гетцофф.

«Вероятно, эти белки изначально создавались как ответ на воздействие солнечного света», считает Хитоми. «Ведь последний вызывает повреждение ДНК, а потому растения должны были как-то  возместить убытки, а еще реагировать на солнечный свет и на сезоны роста и расцвета. Человеческие часы настроены также на солнечный свет, но вдобавок и на время еды, сна и активной деятельности».

В ходе данного исследования Хитоми анализировал работу генов Arabidopsis thaliana, производящих связанные ферменты фотолиазы. Ранее эти гены клонировал в лаборатории его коллега доктор философии Такеши Тодо.

Он поместил ген растения в бактерию E. coli, которая обычно обитает в кишечниках людей и животных, чтобы произвести много белка, который впоследствии удалось кристаллизовать и определить строение атома с помощью рентгенной дифракции. Затем ученые произвели множество мутировавших белков, чтобы проверить функциональную структуру ферментов.

«Результаты исследования послужат детальной сравнительной основой для биологических исследований белков фотолиазы и криптохрома и их функций», сообщил Хитоми.

Также теперь появился потенциальный шанс разработать лекарство, которое сможет отрегулировать метаболизм препаратов и объяснить некоторые из сбоев в работе циркадных часов, которые были обнаружены у человека и у мышей. По словам ученых, когда один из двух белков криптохромов удален, цикл биологических часов длится больше 24 часов, а если удален другой — цикл сокращается.

«Никто так и не понял, в чем точно заключаются структурные и функциональные различия этих белков, однако нам удалось найти одно-единственное отличие в аминокислоте, которое изменяет структуру белка», сказала Гетцофф. «Изменение этого элемента, как выяснилось, воздействует на способ функционирования белков».

11.04.2009