Управление биологическими часами.

Биологические часы встроены почти во все клетки организма. Поскольку появляется все больше доказательств того, что часы некоторых органов могут быть рассинхронизированы, возникает необходимость исследовать и перенастраивать их локально. Ученые из Нидерландов и Японии внедрили в влияющий на работу биологических часов ингибитор киназы переключатель, управляемый светом. Это позволило им контролировать биологические часы в культивируемых клетках и эксплантированных тканях. Они опубликовали свои результаты 26 мая в журнале Nature Communications.

Жизнь на Земле развивалась в условиях 24-часового цикла света и темноты, тепла и холода. «В результате наши клетки синхронизированы с этими 24-часовыми колебаниями, — говорит Виктор Шимански, профессор радиологической химии в Медицинском центре Гронингенского университета. –«Наши циркадные часы регулируются центральным контроллером в супрахиазматическом ядре — области мозга, расположенной прямо над зрительным нервом. Но, кроме того, все наши клетки содержат собственные часы. Они состоят из колебаний в производстве и распаде определенных белков».

Выключатель

«Становится все более очевидным, что эти ритм этих часов может быть нарушены в органах или тканях, что может привести к болезни», — добавляет Душан Коларски, аспирант из группы под руководством Бена Феринга, профессора органической химии. И, конечно же, все мы знаем о рассогласовании циркадного ритма, который возникает при путешествии через часовые пояса, или о проблемах, вызванных переходом на летнее время или обратно. «Мы очень мало знаем о том, как наши клетки координируют эти колебания, и как это влияет на организм, если, например, одна почка находится в рассинхроне с остальным телом», — добавляет он.

Для изучения этих эффектов было бы полезно иметь препарат, который воздействует на биологические часы и может быть активирован локально. Последний пункт, кстати, группа Шимански и Феринга уже реализовывала ранее. Они создали несколько соединений, таких как антибиотики или противораковые препараты, которые можно включать и выключать с помощью света. Ранее циркадный биолог Цуёси Хирота, доцент Института трансформативных биомолекул при Университете Нагоя, Япония, разработал ингибитор киназы – «лонгдейзин» — который замедляет циркадные часы до цикла, длящегося до 48 часов. Коларски оснастил этот ингибитор световым переключателем, который позволил ему активировать или деактивировать соединение с помощью фиолетового и зеленого света соответственно.

Часовые пояса

Разработка этого приспособления заняла у Коларски несколько лет, но результат стоил затраченных усилий. Вместе со своими японскими коллегами из Университета Нагои ученые из Гронингенского университета показали, как цикл культивируемых клеток удлинняется с 24 до 28 часов при обработке этим видоизмененным лонгидезином. Деактивация зеленым светом возвращала цикл к 25 часам, а последующая реактивация фиолетовым светом — к 28 часам. «Мы также использовали его в срезах ткани из супрахиазматического ядра мыши», — говорит Коларски. «Колебания замедлились до 26-часового цикла после обработки в течение нескольких дней видоизмененным лонгидезином и вернулись к 24-часовому циклу после деактивации зеленым светом».

«Эта обратимая регуляция обеспечит новый подход к анализу того, как организованы часы в каждой клетке на уровне тканей, чтобы глубже понять сложную систему циркадных часов», — добавляет Хирота.

Ученые также регулировали фазу циклов в культивируемых клетках: Трехдневная активация ингибитором киназы с последующей деактивацией вызвала сдвиг 24-часового цикла на шесть часов. По поведению это очень похоже на то, как если бы клетки были синхронизированы с другим часовым поясом. Эксперименты являются доказательством принципа и позволят ученым изучить циркадные часы гораздо более детально. Следующим шагом будет использование лонгдейзина на животных. Коларски отмечает: «Оригинальный препарат, без переключателя, уже тестировался ранее на земноводных. Мы бы очень хотели испытать его на мышах». Цель не в том, чтобы устранить сдвиг циркадных ритмов, а в том, чтобы изучить влияние лонгдейзина на физиологию».

Лечение

Светоактивируемый препарат, вероятно, будет использоваться только для лечения серьезных заболеваний.

«На самом деле с помощью света мы можем добраться до довольно многих органов, например, с помощью эндоскопа. Желудочно-кишечный тракт и дыхательная система легко доступны, в то время как в других тканях могут потребоваться небольшие разрезы для введения оптических волокон», — комментирует Шимански. Существует также несколько новых возможностей генерировать свет внутри органов или тканей с помощью таких методов, как биолюминесценция или сонолюминесценция.

«Хотя эти источники света все еще на несколько порядков слабее того, что нам нужно. Мы будем упорно работать над повышением чувствительности в ближайшие годы,»- подчеркивают Шимански и Феринга.

Коларски добавляет: «Сейчас мы открыли новую область исследований. В конечном итоге все это позволит нам локально нарушать или восстанавливать циркадные осцилляции».

Управление биологическими часами еще нам не до конца доступно, а вот домен в зоне .bio поддается управлению без таких заморочек.