Используя теоретические методы физики, ученые во главе с Геном Куросавой из Центра междисциплинарных теоретических и математических наук RIKEN, расположенного в Японии выяснили, как наши биологические часы обеспечивают поддержание стабильного 24-часового цикла, несмотря на колебания температуры? Исследователи выяснили, что это постоянство достигается посредством небольшой корректировки активности генов при повышении температуры. Данный механизм получил название «искажение формы сигнала». Он не только способствует поддержанию стабильного ритма, но и оказывает влияние на эффективность синхронизации внутренних часов с суточным циклом. Исследование было опубликовано в PLOS Computational Biology.
Как часто вы задавались вопросом, как ваш организм определяет время для сна или пробуждения? Дело в том, что у человека есть биологические часы, которые функционируют примерно по 24-часовому ритму. Однако, учитывая, что большинство химических реакций ускоряются при повышении температуры, остается неясным, как наш организм адаптируется к изменениям температуры в течение года или при переходе из прохладного помещения с кондиционером на улицу и обратно.
Биологические ритмы человека регулируются циклическими изменениями мРНК — молекул, определяющих синтез белков. Эти изменения возникают благодаря последовательному включению и выключению определенных генов. Подобно тому, как колебания маятника можно представить в виде синусоидальной волны, плавно возрастающей и убывающей, меняется и ритм образования мРНК.
Используя инструменты теоретической физики, исследователи проанализировали математические модели, которые описывают колебания уровня мРНК. В рамках этого анализа был применен метод ренормализационной группы для определения ключевых аспектов медленно меняющейся динамики, определяющей ритмы мРНК. Результаты показали, что при повышении температуры скорость увеличения уровня мРНК должна возрастать, а скорость его снижения – замедляться, однако общая продолжительность цикла останется постоянной. На графике высокотемпературный ритм представлен в виде искажённой, асимметричной волны.
Действительно ли это изменение происходит? Для проверки теории на живых организмах исследователи изучили экспериментальные данные, полученные в ходе исследований плодовых мушек и мышей. Анализ показал, что при повышении температуры у этих животных наблюдались ожидаемые изменения в форме сигнала, что свидетельствует о соответствии теоретических прогнозов биологической действительности. На основании полученных результатов исследователи заключили, что изменение формы сигнала играет важную роль в температурной компенсации биологических часов, в частности, в снижении скорости уменьшения уровня мРНК в каждом цикле.
Выявлено, что изменение формы сигнала оказывает влияние на синхронизацию биологических часов с внешними факторами, например, с циклом дня и ночи. Исследование показало, что более сильное искажение формы сигнала приводит к большей стабильности биологических часов и снижает их восприимчивость к воздействию окружающей среды. Полученные теоретические данные подтверждаются экспериментальными результатами, полученными при наблюдении за мухами и грибками, и имеют важное значение, поскольку нерегулярные циклы дня и ночи характерны для современного образа жизни большинства людей.
«Куросава отмечает, что изменение формы сигнала имеет решающее значение для поддержания точности и синхронизации биологических часов, даже когда меняется температура. По его словам, дальнейшие исследования могут быть направлены на определение конкретных молекулярных механизмов, которые замедляют снижение уровня мРНК и, как следствие, приводят к искажению формы сигнала. Исследователи также планируют изучить, как это искажение изменяется в зависимости от вида или даже от индивидуальных особенностей человека, поскольку возраст и личные характеристики могут оказывать влияние на работу внутренних часов.
«По мнению Куросавы, со временем изменения в форме сигнала генов, контролирующих циркадные ритмы, могут служить биомаркером. Он поможет в понимании нарушений сна, синдрома смены часовых поясов и влияния старения на наши внутренние часы. Кроме того, это позволит обнаружить общие принципы, определяющие работу ритмов – как в биологических процессах, так и в системах, основанных на повторяющихся циклах».
[Фото: Gen Kurosawa / RIKEN]