Хронология далекого прошлого 18 тысяч лет назад... 330 миллионов лет назад... Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять? Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

В бактерию без циркадных ритмов встроили <<часы>> от цианобактерии

15.06.2015

Рис. 1. Схема работы осциллятора бактерий Synechococcus elongatus. Белок KaiC может фосфорилировать или дефосфорилировать сам себя. Днем ему в этом помогает белок KaiA. Ночью работу KaiA подавляет KaiB. Так происходит в природных условиях, но цикл можно воспроизвести и в пробирке, и в полной темноте. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advance

Ученые снабдили молекулярными циркадными часами бактерию, у которой не было природных циркадных ритмов. К таким часам можно подключить любые гены, и их работа станет зависимой от времени суток. С помощью имплантации суточных часов можно будет лечить заболевания, связанные с расстройством циркадных ритмов, или наладить адресную доставку лекарств в пораженные ткани строго по расписанию.

Как правило, молекулярные циркадные часы (Circadian clock) живых клеток представляют собой систему генов, соединенных петлями обратной связи. В простейшем случае ген А активирует работу гена Б, а тот, в свою очередь, подавляет работу гена А. Из-за этого А перестает стимулировать активность Б, и тот замолкает, а А снова приступает к работе. Если выработка одного из генов зависит от уровня освещенности, то, ориентируясь по таким внутренним часам, клетки могут определять, какое сейчас вре мя суток, и в соответствии с этим управлять разными процессами. Например, у растений днем и ночью происходят разные реакции фотосинтеза, а у животных ночью включается режим экономии, отдыха и отчистки мозга от токсинов -- режим сна.

Однако обнаружились и другие модели биологических часов -- работающие без экспрессии генов. К таким часам относится природный осциллятор цианобактерий Synechococcus elongatus, подсказывающий, когда какие реакции фотосинтеза им надо проводить.

У цианобактерий внутренние часы работают так (рис. 1). Есть главный белок, KaiC, который способен сам на себя навешивать фосфат и сам с себя фосфаты удалять. В фосфорилированном состоянии он хорошо связывается с другим белком, SasA, который, служит посредником для запуска <<дневных>> процессов. Направляют фосфорилирование и дефосфорилирование KaiC два других белка -- KaiA и KaiB. П ервый из них стимулирует фосфорилирование KaiC, а второй -- наоборот, удаление фосфата. У цианобактерий KaiA действует в основном на свету, а KaiB -- в основном в темноте. Получается, что днем KaiC фосфорилирован, а ночью -- лишен фосфатов. (Подробнее о работе внутренних часов цианобактерий см. в статье: M. Ishiura et al., 1998. Expression of a Gene Cluster kaiABC as a Circadian Feedback Process in Cyanobacteria.)

Интересно, что у вспомогательных белков KaiA и KaiB нет кофакторов, которые помогали бы им чувствовать свет, так что механизм переключения между этими двумя активаторами некоторое время оставался загадочным. Тем более интересно, что система могла работать и в изолированном от остальной клетки виде, в пробирке, где никакие фотосенсоры цианобактерии уж точно не могли ничего подсказать ей об условиях освещения. Оказалось, что периодичность работы системы регулируется соотношением АТФ и АДФ. Чтобы навесить на себя фосфат, KaiC забирает его у АТФ и расходует эти молекулы. Когда АТФ становится слишком мало, начинается обратный процесс -- KaiC снимает с себя фосфаты и возвращает их на АДФ. По-видимому, белки-регуляторы ориентируются именно на то, сколько АТФ или АДФ находится в растворе.

Таким образом, чтобы сделать циркадные часы как у цианобактерий, нужны три белка, а также источник энергии -- молекулы АТФ. Если смешать эти компоненты в пробирке, будет циклически изменяться фосфорилирование одного из белков, а период колебаний будет близок к суткам. Эта система напоминает биологический вариант реакции Белоусова -- Жаботинского, в которой тоже происходят циклические пре ращения веществ. Конечно, такая система не полностью независима от работы генов: все-таки новые копии белков периодически нужно синтезировать. Но хотя бы относительная независимость от работы генов полезна, например, чтобы цикл жизни клетки не сбивался во время деления. При делении клетки ее ДНК должна реплицироваться, и этот процесс может временно нарушить работу <<генетических>> часов. А вот на колебания фосфорилирования белков никакие изменения состояния ДНК не повлияют.

Система цианобактерий такая простая и неприхотливая и способна работать как минимум несколько суток даже в отсутствие работы генов, что у биоинженеров из Гарвардской медицинской школы (Бостон, США) возникла идея внедрить ее в какой-нибудь другой организм. В качестве объекта взяли самую популярную лабораторную бактерию -- Escherichia coli, у которой нет собственных суточных ритмов. Исследователи ввели в эту бактер ю гены трех белков -- составляющих осциллятора и убедились, что уровень фосфорилирования KaiC продолжает колебаться с суточным периодом и в этом <<неродном>> организме.

Конечно, было интересно не просто запустить часы в другом организме, а научить их управлять работой генов. Получить циклические колебания белков, управляемые вживленными в бактерию <<часами>>, биоинженеры смоглиа даже двумя способами.

Во-первых, можно использовать связывание фосфорилированного KaiC с белком SasA (рис. 2). На один из них навешивается субъединица РНК-полимеразы бактерий, а на другой -- белок, который распознает определенную последовательность ДНК. Тот ген, перед которым есть такая последовательность, будет работать только в дневное время суток. Так можно регулировать по часам работу потенциально любых генов -- если мы знаем белки, которые могут привлечь к ним полимер зу.

Рис. 2. Один из способов подключения гена к работе часов. Уровень фосфорилирования KaiC колеблется с суточной периодичностью. Когда этот белок фосфорилирован, он хорошо связывается с белком SasA (на врезке толщина стрелочек соответствует силе связывания). Это связывание можно использовать, чтобы привлечь РНК-полимеразу к определенному гену и заставить этот ген работать (на рисунке в качестве целевого гена обозначен ген зеленого флуоресцентного белка, GFP). Для этого нужно пришить к KaiC одну из субъединиц РНК-полимеразы, а к SasA — белок, связывающий участок ДНК перед целевым геном. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advance

Другой способ -- это использовать генетические конструкции с промоторами цианобактерии, которые регулируются этими молекулярными часами в естественных условиях. Для этого нужно скопировать у бактерии не только сам осциллятор, но и управляемые им нижестоящие элементы, в том числе те белки, которые связываются со специфическими последовательностями ДНК и активируют работу близлежащих генов. Для этого нужно сделать генетические конструкции, в которых за так м специфическим ДНК-сайтом, отвечающим за работу часов цианобактерии, будет стоять ген, активность которого будет легко наблюдать. Например, ген флуоресцентного белка, который можно увидеть глазами.

Эта работа американских ученых очень интересна для будущих практических приложений. Замечательно не только то, что часы цианобактерий простые и относительно независимые от работы генов, но и то, что их период именно суточный. Так что в будущем такая система может пригодиться, чтобы стабилизировать циркадные ритмы живых организмов. Из-за нарушения суточных ритмов страдают не только путешественники после длительных перелетов. Оказывается, суточные ритмы сбиваются, например, у кишечной микробиоты, если ее хозяин нерегулярно пи ается. А страдания наших кишечных бактерий могут вылиться и в наши собственные страдания, потому что микробиом комплексным образом влияет на метаболизм.

Генетически модифицированные бактерии, снабженные часами, смогут поддерживать правильные суточные ритмы, какой бы образ жизни ни вел хозяин. Другие потенциальные области применения -- доставка лекарств в определенное время дня, а также лечение болезней, связанных с нарушением циркадных ритмов. В общем, каждому живому организму -- по хорошим часам!

Источник: A. H. Chen, D. Lubkowicz, V. Yeong, R. L. Chang & P. A. Silver. Transplantability of a circadian clock to a noncircadian organism // Science Advance. 2015. DOI: 10.1126/sciadv.1500358.

Юлия Кондратенко

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

14.06 Палеогенетика подтвердила важный вклад причерноморско-каспийских степняков в формирование генофонда европейцев

Два больших исследовательских коллектива опубликовали результаты анализа геномов 170 обитателей различных районов Евразии, живших от 8000 до 2000 лет назад. Обе работы показали, что важнейшую роль в формировании генофонда современных европейцев сыграла произошедшая около 4500 лет назад массовая миграция кочевых скотоводов из Причерноморско-Каспийской степи в Западную Европу. С большой вероятностью древнее нашествие степняков непосредственно связано с распространением в Западной Европе индоевропейских языков.

11.06 В условиях антропогенной зашумленности квакши тускнеют

Французские ученые исследовали влияние шума машин на акустические и визуальные сигналы квакш -- небольших древесных лягушек. Физические параметры издаваемых квакшами звуков не менялись, а вот окраска горлового мешка стала тусклее. Такое изменение цвета, вызванное только антропогенным шумом, показано для животных впервые. Механизм пока не известен, но скорее всего это связано с какими-то гормональными сдвигами, происходящими из-за стрессирующего действия шума.

10.06 Разная стратегия защиты приводит к разному эволюционному отклику

Немецкие ученые поставили эволюционный эксперимент, имитирующий гонку вооружений между хозяином и паразитом. Роль хозяина досталась нематоде Caenorhabditis elegans, а паразита -- бактерии Bacillus thuringiensis. Эксперимент показал, что в условиях приспособления нематод к инсектицидам важно, чтобы гонка вооружений не останавливалась. Тогда бактерии будут избавляться от неэффективных линий, оставляя на передовой лишь наиболее инфекционные, несущие наибольшее число копий генов токсинов.

08.06 Побочное следствие от потери гена ТР53 при раке подсказало новую стратегию его лечения

При раках многих форм на одной из двух хромосом часто теряется ген супрессора опухолей ТР53. Вместе с ТР53 обычно выпадают и соседние гены, в том числе ген главной субъединицы РНК-полимеразы II POLR2A. На культурах клеток колоректального рака и на модельных мышах показано, что адресное подавление в раковых клетках полимеразной активности эффективно ингибирует рост таких клеток вплоть до полной регрессии опухоли. Описанный подход -- подавление активности POLR2A -- может стать новой стратегией для лечения многих фо рм рака с указанной потерей ТР53/POLR2A.

06.06 Сотрудники <<Фейсбука>> изучили механизмы, мешающие пользователям знакомиться с альтернативными мнениями

Среди социологов растут опасения, что алгоритмы персонализированной фильтрации и ранжирования новостных лент, используемые <<Фейсбуком>> и другими соцсетями, создают <<пузыри фильтров>>, мешающие людям знакомиться с альтернативными точками зрения, а это может искажать восприятие реальности пользователями и приводить к поляризации общества. Анализ данных по структуре <<дружеских>> связей и сетевой активности 10 млн американских пользователей <<Фейсбука>> подтвердил, что как либералы, так и консерваторы получают из своих новост ых лент в основном информацию, согласующуюся с их политическими взглядами.

05.06 Впервые показана хаотическая динамика популяций в многовидовом сообществе

Довольно давно было предсказано, что в многовидовых сообществах может возникать хаотическое поведение, однако примеров <<из природы>> известно не было. Двадцатилетние наблюдения за тремя видами, заселяющими камни в приливно-отливной зоне на побережье Новой Зеландии, показали, что эта экосистема находится <<на краю хаоса>>: время от времени динамика численностей меняется со стабилизирующейся на хаотическую.

03.06 К <<новой голове>> позвоночных прилагалось <<новое сердце>>

Больше 30 лет назад американские ученые Карл Ганс и Гленн Норткатт опубликовали так называемую <<теорию новой головы>>, согласно которой позвоночные принципиально отличаются от других животных несколькими новообразованиями, расположенными в основном в передней части тела. К <<новой голове>> позвоночных относятся жаберный скелет с обслуживающими его мышцами, черепно-мозговые нервы и сложные органы чувств. Современные эмбриологические данные показывают, что фактически в состав <<новой головы>> входит еще и сердце.

02.06 Флуоресцирующие рыбки-троепёры воспринимают красное свечение своих сородичей

Некоторые рыбки, обитающие на глубине более 10 м, имеют видоспецифичные флуоресцентные маркеры, светящиеся красным цветом. Свет красного спектра туда почти не проникает, поэтому такие пятна хорошо заметны. Но не было известно, могут ли сами рыбы воспринимать этот цвет, -- ведь обычно обитающие на глубине животные плохо различают редкий здесь красный цвет. В ходе экспериментов выяснилось, что могут, причем даже лучше некоторых других цветов.

02.06 Ученые проследили эволюцию клеток летального метастатического рака простаты

В раковой опухоли постоянно происходит эволюция, приводящая к возникновению в первичной опухоли различных клонов клеток -- в том числе и способных образовывать метастазы в других органах и тканях. В новой статье описан сложный процесс метастазирования при раке простаты. Получены новые данные о молекулярных механизмах развития устойчивости к терапии, которые могут быть полезны для разработки новых лекарственных средств, блокирующих пути развития устойчивости.