Как появились биологические часы
Суточные ритмы возникли для защиты от ультрафиолетового излучения и окислительного стресса.
Множество живых организмов носит в себе особенные часы – специальные молекулярно-генетические механизмы, чья активность меняется в зависимости от времени суток, задавая тем самым суточные, или циркадные биологические ритмы. Конечно, самое привычное проявление таких ритмов – цикл сна и бодрствования: нам начинает хотеться спать, когда наступает ночь, и мы просыпаемся, когда рассветает.
Но биологические часы определяют не только время сна, они вмешиваются в обмен веществ, в физиологию, в поведение. Свои «часовые отделы» есть едва ли не во всех органах и тканях нашего тела, а не только в мозге, причём часы в органах обладают некоторой самостоятельностью, хотя обычно и согласуют свои действия с мозговым регулятором.
Об истории открытия биологических часов и том, как расшифровывали их механизм, мы уже писали. Но суточные ритмы, как было сказано, есть не только у человека, они есть у других животных, у растений, у водорослей и даже у некоторых бактерий. Это значит, что они возникли довольно давно. И тогда возникает вопрос – как вообще биологические часы возникли и как шла их эволюция. Здесь, как и в случае других крупных эволюционных «изобретений», есть два мнения.
Согласно одному, суточные ритмы возникали неоднократно у разных групп организмов. Согласно другой точке зрения, все современные «биочасы» произошли от какого-то одного предкового устройства. Конечно, прототип был устроен не в пример проще, нежели нынешние механизмы, управляющие сном и метаболизмом, но общий принцип, скорее всего, остался тот же.
Если проанализировать молекулярное устройство биологических часов, то мы увидим, что в подавляющем большинстве их механизм основан на циклической взаимозависимости некоторых РНК и белков. До какого-то момента времени определённой РНК становится в клетке всё больше, а значит, становится больше и того белка, который она кодирует. Наконец концентрация белка достигает некоторого порога, когда он способен связаться с ДНК своего гена и выключить синтез собственной РНК. И тут уже начинает падать уровень самого белка – например, потому что его постоянно расщепляют ферменты-протеазы.
Пока количество РНК росло, деятельность таких ферментов не была заметна, но теперь, когда РНК уже не синтезируется, протеазы уничтожают часовой белок, пока, наконец, он не уходит с ДНК, тем самым разрешая снова начать синтез своей РНК. Иными словами, часовой ген и белок, который он кодирует, связаны отрицательной обратной связью, которая может реализовываться через другие молекулы-посредники. (Характерный пример – молекулярная чехарда у Neurospora crassa: у этого плесневого грибка ген биологических часов управляет суточным ритмом с помощью двух РНК, одна из которых мешает работать другой; более подробно об исследовании регуляции биологических часов у N. crassa можно прочесть в нашей прошлогодней заметке).
Но зачем вообще живым организмам понадобились часы? Например, для того, чтобы лучше защитить гены от повреждений ультрафиолетом – днём гены, отвечающие за циркадный ритм, могли усиливать работу других генов, отвечающих за ремонт ДНК. То есть суточные ритмы могли бы возникнуть, чтобы распределить «по сменам» молекулярные машины, выполняющие репликацию и репарацию ДНК: ночью ДНК бы удваивалась, а репарационные системы работали бы днём, и реплицирующие белки им бы не мешали. Действительно, гены, вовлечённые в регуляцию биологических часов, часто регулируют вдобавок и процессы, связанные с починкой ДНК. Так что такое объяснение происхождения суточных ритмов вполне имеет право на существование. И то, что нынешние биологические ритмы опираются на включения-отключения синтеза РНК и белков, также говорит в её пользу.
Однако сравнительно недавно выяснилось, что у сине-зелёных водорослей Synechococcus elongatus молекулярный аппарат суточных ритмов с ДНК вообще никак не связан. Цианобактерии обладают едва ли не самой простой «моделью» часов, состоящей всего из трёх необходимых белков, называемых KaiA, KaiB и KaiC, и двух вспомогательных (часы S. elongatus благодаря их простоте даже удалось пересадить в другую бактерию, о чём мы недавно писали).
Тройка KaiA, KaiB и KaiC готовит бактериальную клетку к наступлению дня, что в первую очередь касается фотосинтетического аппарата цианобактерии. Если поместить эти белки в пробирку и добавить к ним источник энергии и фосфатных групп в виде АТФ (аденозинтрифосфата), то «часы» начнут «идти»: молекулы KaiC с помощью двух других белков будут то приобретать, то терять остатки фосфорной кислоты; дневной KaiC будет без фосфата, ночной – с фосфатом.
Когда в 2005 году Такао Кондо (Takao Kondo) из Университета Нагоя вместе с коллегами опубликовал в Science статью с описанием работы часов S. elongatus, все сильно удивились: здесь не нужны были никакие ДНК или РНК, здесь не происходило никакого периодического включения-выключения белкового синтеза. Безусловно, трёхбелковый механизм цианобактерий регулирует жизнь клетки, влияя на синтез РНК, ДНК и белков, однако речь в данном случае о том, что молекулярная «пружина» механизма сам по себе вполне обходится вышеописанных РНК-белковых колебаний.
Значит ли это, что циркадные ритмы вообще могли возникнуть безо всякой связи с ДНК? Не обязательно: сине-зелёные водоросли эволюционно разошлись с общим предком животных около миллиарда лет назад, и система KaiA-KaiB-KaiC ничем не напоминает часовые белки млекопитающих или насекомых. Так что вполне может быть, что у животных биологические часы развивались изначально по другой модели, с обязательной привязкой к ДНК.
Однако в 2011 году в Nature появилась другая статья, в которой Джон О'Нил (John O’Neill) и Ахилеш Редди (Akhilesh Reddy)из Кембриджа рассказывали про суточные ритмы у человеческих эритроцитов – а у наших эритроцитов, напомним, нет ядра и нет ДНК. В данном случае в часовом ритме работали белки пероксиредоксины, чья задача – очищать клетки от пероксида водорода, который является сильным окислителем и может повредить множество нужных молекул в клетке. Сам же пероксид возникает как побочный продукт метаболических процессов, необходимых для получения энергии.
Пероксиредоксины – универсальные белки, они есть у многих организмов. В частности, у одноклеточной зелёной водоросли Ostreococcus tauri, которую использовали в другой серии экспериментов. Оказалось, что и у неё активность антиоксидантного белка зависит от времени суток: количество связанного с белком опасного агрессивного кислорода увеличивалось и уменьшалось по 24-часовому расписанию. Впоследствии такие же пероксиредоксиновые циклы были найдены у насекомых, растений, грибов, цианобактерий и архей. То есть биологические часы, связанные с защитой от окислительного стресса, были у представителей всех доменов жизни. Почему они вдруг всем понадобились?
Известно, что около 2,3 миллиардов лет назад случилась кислородная катастрофа: цианобактерии научились кислородному фотосинтезу, и с тех пор Земля, как говорится, уже никогда не была прежней, потому что на ней радикально изменилась атмосфера. Живые организмы, столкнувшись с кислородом, вынуждены были либо уйти в анаэробные экологические ниши, либо научиться противостоять новому мощному окислителю. Появились молекулы, которые могли гасить окислительный стресс.
Поначалу они работали, как говорится, по факту накопления кислорода: если его становилось больше, то в клетках повышалась активность антиоксидантов. Однако в те времена кислорода было мало, и уровень его, как легко догадаться, заметно поднимался именно в светлое время суток, когда начинался фотосинтез. Антиоксидантные суточные часы стали большим достижением: действительно, если количество кислорода повышается всегда в одно и то же время, то почему бы не подготовиться к этому заранее?
Итак, у нас есть уже две причины возникновения биологических ритмов, которые могли возникнуть как оптимизация защиты от ультрафиолета и как ответ на периодический окислительный стресс. Механизмы тут тоже вроде бы разные: уже много раз упомянутые РНК-белковые колебания, трёхбелковое устройство сине-зелёных S. elongatus и пероксиредоксиновый механизм.
Однако, как говорит сам Джон О'Нил, пероксиредоксины – не столько «пружина» часов, сколько «стрелки». Разное количество кислорода, которое они связывают, есть лишь показатель времени, но не причина суточной цикличности в их работе. По сути, в случае с пероксиредоксинами у нас есть лишь набор феноменов (пусть и встречающихся во всех доменах жизни), которые не укладываются в представление о биологических часах, которые всегда опираются на РНК-белковые осцилляции. И мы лишь можем предполагать, что существует общий древний молекулярный механизм, который оказался годным для решения разных задач: защиты ДНК от ультрафиолета, защиты от кислородных радикалов и др. Тогда и пероксиредоксины, и колебательные изменения РНК – лишь надстройки, видимая часть такого механизма. Какой же тогда может быть «пружина часов»?
Например, ею могут быть два фермента: казеинкиназа 1 и киназа гликогенсинтетазы 3. Функция киназ как класса ферментов – добавлять к белковым молекулам фосфатные группы, что довольно сильно влияет на функционирование и судьбу белков: они могут начать активно работать, переключиться на другой субстрат или отправиться в утиль. Обе киназы играют важную роль в регуляции пероксиредоксиновых часов, и система фосфорилирующих ферментов вполне могла быть самым древним механизмом, отмеряющим ритм биологическим процессам.
В пользу такой гипотезы говорит то, что даже у тех организмов, у которых нет суточных ритмов, есть киназно-пероксиредоксиновая система, задающая некие периоды в биохимии клеток. В апреле этого года в статье в Current Biology О'Нил вместе с коллегами описал своеобразные дыхательные циклы у пекарских дрожжей: у них потребление кислорода периодически возрастает и падает, и каждый период длится несколько часов.
Если выключить у дрожжей (у которых, повторим, нет суточного 24-часового ритма) казеинкиназу 1, то дыхательные ритмы исчезнут. С другой стороны та же казеинкиназа участвует в регуляции суточного ритма у мышей. Есть большое искушение придумать некую простую киназную часовую систему, подобную белкам KaiA, KaiB и KaiC у сине-зелёных водорослей, и сказать, что так и выглядели древнейшие биологические часы – по крайней мере, у предков растений и животных. Однако, увы, пока что нет никаких доказательств, что суточные ритмы и впрямь начали развиваться с киназного механизма.
До сих пор мы обсуждали только тот вариант, когда «биочасы» возникают в эволюции один, от силы два раза, и все остальные их варианты есть лишь модификации исходной модели. Однако есть некоторые данные в пользу того, что появление регулирующих ритмов – не такая уж сложная задача. Не нужно большого труда, чтобы заметить, что многие виды живут ещё и по другим, несуточным часам, следя за приливами или, например, сменой времён года. Поведение и физиология веслоногого рачка Eurydice pulchra подчинены приливно-отливному циклу с периодом 12,4 ч, а морской червь Platynereis dumerilii размножается по лунному календарю.
Можно было бы предположить, что и приливно-отливный, и лунный ритмы подчинены суточному (который также есть и у рачка, и у червя), однако недавние исследования показали, что у этих беспозвоночных лунные и приливно-отливные биологические часы работают независимо от циркадных. С другой стороны, есть пример подземной слепой рыбы Phreatichthys andruzzii, которая живёт по уникальному 47-часовому циклу: её часы согласованы с обеденным расписанием и, отчасти, с изменениями температуры окружающей среды. Наконец, существуют месячные периоды менструального цикла, и не далее как в мае мы рассказывали про иммунные гены, чья активность меняется в зависимости от времени года.
В общем, можно сделать острожный вывод, что некогда эволюции «понравилась» сама идея ритмической регуляции процессов жизнедеятельности, а вот конкретный период и конкретные механизмы, отсчитывающие период хода, могут довольно сильно отличаться друг от друга. Наибольшее внимание мы уделяем суточным часам – да и как не уделять им внимания, когда мы каждое утро просыпаемся и каждый вечер ложимся спать – и потому они изучены лучше всего. Но, как знать, возможно, что какие-то более «долгие» часы, оказывают на нашу жизнь влияние отнюдь не меньшее, хотя, возможно, все они работают от одной и той же молекулярно-генетической «пружины».
