Американские ученые выяснили, как биохимические сигналы молекул кодируются в электрические импульсы для регуляции циркадных ритмов. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Циркадные ритмы — колебания интенсивности физиологических процессов, которые связаны со сменой дня и ночи. Несмотря на многочисленные исследования молекулярные механизмы такой осцилляции изучены недостаточно. По одной из теорий, работу «биологических часов» обеспечивает нейронная сеть в супрахиазматическом ядре гипоталамуса: это происходит за счет регуляции сигнальных молекул. Неясным остается то, как биохимический «язык» молекул кодируется электрическими импульсами — основным «языком» нейронов.

Функцию такого «переводчика» может играть гликоген синтаза киназа-3 (ГСК-3). Предыдущие исследования показали, что этот фермент изменяет возбудимость клеток циклами по 24 часа. При этом колебания его активности сопоставимы с возбудимостью нейронов супрахиазматического ядра. Чтобы проверить гипотезу о связи ГСК-3 с циркадными ритмами, ученые из Алабамского и Мичиганского университетов использовали группу мышей с перманентно активным ферментом. Отдельно авторы изучали влияние на циркадные ритмы ингибиторов ГСК-3 и натриевых каналов.

Частота потенциала действия и потенциала покоя в клетках с «выключенными» ГСК-3 (синий) и натриевыми каналами (черный). / © Jodi R. Paul et al., Scientific Reports, 2016

Результаты показали, что ГСК-3 регулирует специфическое перемещение ионов натрия через мембрану клеток — «устойчивый» ток (INaP). В отличие от тока быстрого запуска (INaT), он распространяется медленнее, но делает массовый поток ионов натрия более вероятным. Верность гипотезы подтвердило математическое моделирование: «устойчивый» ток увеличивал скорость возбуждения нейронов (в дневное время суток). Вместе с тем распространение INaP не влияло на потенциал покоя, то есть не нарушило баланс ионов внутри нейронов.

По словам исследователей, увеличение возбуждения клеток за счет активности ГСК-3 связано с подавлением последней фазы потенциала действия — следовой гиперполяризации. Полученные данные могут использоваться, например в борьбе с последствиями джетлага или лечении расстройств настроения: ГСК-3 является мишенью для лития, который применяется, в частности, при биполярном аффективном расстройстве (БАР). Работа стала первой, которая показала связь «устойчивого» тока с циркадными ритмами.