Две новые статьи в журнале Nature, опубликованные учеными из университетов Кембриджа (Cambridge) и Эдинбурга (Edinburgh), описывают механизм, управляющий внутренними часами всех форм жизни – от клеток человеческого организма до водорослей. Исследователи пришли к выводу, что циркадные ритмы в клетках человека ничем не отличаются от аналогичных ритмов у водорослей, и их возникновение относится к самому раннему периоду жизни на Земле.

Исследование ученых из Института метаболизма (Institute of Metabolic Science) Кембриджского университета впервые выявило 24-часовой цикл в активности красных кровяных клеток. Это особенно важно, так как циркадные ритмы всегда считались связанными с ДНК и активностью генов, но – в отличие от большинства других клеток организма – эритроциты не имеют ДНК.

«Мы знаем, что часы существуют во всех наших клетках. Представьте, что бы мы делали без часов, сопровождающих нас в течение всего дня. Клетка окажется в том же положении, если у нее не будет часов, координирующих ее повседневную активность», – говорит ведущий автор статьи Акхилеш Редди (Akhilesh Reddy) из Университета Кембриджа. «Последствия этого для здоровья многообразны. Мы уже знаем, что нарушение ритмов – например, вызванное посменной работой или длительными перелетами, связано с метаболическими расстройствами, такими как диабет, проблемы с психическим здоровьем и даже рак. Углубляя наши знания о том, как эти суточные часы работают в клетках, мы надеемся, что их связь с этими и другими расстройствами станет яснее. Это, в долгосрочной перспективе, приведет к новым методам терапии, о которых всего пару лет назад мы не могли даже подумать».

Активность красных клеток крови – эритроцитов, – не имеющих ДНК, также подчиняется циркадным ритмам.
(Credit: iStockphoto/Sergey Panteleev)

Для своего исследования ученые, финансируемые Wellcome Trust, инкубировали очищенные эритроциты здоровых волонтеров в темноте при температуре тела и через регулярные промежутки времени в течение нескольких дней отбирали пробы. Измеряя уровни биохимических маркеров – белков пероксиредоксинов (peroxiredoxins), – вырабатываемых в больших количествах в крови, они обнаружили, что их синтез проходит 24-часовой цикл. Пероксиредоксины найдены практически у всех известных организмов.

Дальнейшее исследование, совместно проведенное университетами Кембриджа и Эдинбурга и Океанологической станцией в Баньюльс (Observatoire Oceanologique in Banyuls), Франция, обнаружило аналогичный 24-часовой цикл у морских водорослей, показав, что внутренние часы всегда были важны для организмов, в том числе и для древних форм.

Ученые установили ритм образования пероксиредоксинов у водорослей путем отбора проб через регулярные промежутки времени в течение нескольких дней. Когда водоросли содержались в темноте, ДНК не проявляла активности, но их циркадные часы продолжали «тикать» без транскрипции генов. Предположение о том, что внутренние часы приводятся в действие генной активностью, оказалось несостоятельным, так как и водоросли, и эритроциты способны поддерживать циркадные ритмы без нее.

Ученые пришли к выводу, что нетранскрипционных факторов достаточно для поддержания суточного цикла у эукариот, хотя они, как правило, функционируют в сочетании с транскрипционными компонентами.

«Это революционное исследование показывает, что внутренние часы организма – древний механизм, сохраненный в течение миллиарда лет эволюции. Они должны быть гораздо более важными и сложными, чем мы думали раньше. Необходимо проделать еще очень большую работу, чтобы определить, как и почему они развились у человека – и, скорее всего, у всех других живых существ на Земле – и какую роль они играют в управлении нашим организмом», – говорит возглавлявший исследование Эндрю Миллар (Andrew Millar) из Школы биологических наук Эдинбургского университета.

Аннотации к статьям
Circadian rhythms persist without transcription in a eukaryote
Circadian clocks in human red blood cells