Клетки тела сверяют свои часы друг с другом

Суточные ритмы – это не только чередование сна и бодрствования, это ещё и изменения в обмене веществ, в уровне гормонов, в работе иммунной системы и пр. Биологические часы управляют самыми разными процессами, вплоть до активности тех или иных генов. Механизм биологических часов достаточно хорошо изучен как с молекулярной точки зрения, так и с точки зрения физиологии. За расшифровку их молекулярного устройства несколько лет назад дали Нобелевскую премию.

Но часы идут не сами по себе, они подстраиваются под смену дня и ночи. С другой стороны, часовой механизм есть у всех наших органов. Как может, к примеру, печень узнать про смену дня и ночи? Очевидно, от мозга, потому что мозг получает информацию от глаз. Действительно, в мозге есть главные часы – так называемое супрахиазмальное (или супрахиазметическое) ядро. Его нейроны получают сигналы о том, как меняется освещённость вокруг нас, и уже супрахиазмальное ядро с помощью нейронных сигналов помогает органам и тканям скорректировать их собственные часы.

Значит ли это, что часы на периферии полностью зависят от главных часов в мозге, и что без главных часов все остальные начнут идти вразнобой? На самом деле нет: если руководящие указания сверху перестанут поступать, часы на периферии смогут самоорганизоваться – правда, только до определённой степени. Сотрудники Женевского университета ставили эксперименты с генетически модифицированными мышами, которым в клетки вводили ген фермента люциферазы. Она работает с веществом под названием люциферин: люцифераза окисляет люциферин, и тот начинает светиться. (В природе система люцифераза–люциферин работает у светлячков и других беспозвоночных, у которых её позаимствовали для биотехнологических нужд.)

Но ген люциферазы вводили мышам не просто так, а чтобы он подчинялся часовому механизму, то есть чтобы в одно время суток люцифераза в клетках появлялась, а в другое время суток исчезала. Мышам давали воду с люциферином, и с помощью специального оборудования измеряли свечение от разных органов. Когда у мышей отключали центральные часы (супрахиазмальное ядро в мозге), то часы на периферии начинали идти каждые в своём ритме – их ход терял синхронность (то есть система люциферин-люцифереза светила вразнобой). Но рассинхронизация имела место только между разными органами. В пределах одного и того же органа – например, в печени – часы разных клеток шли в одном ритме.

То есть для самоорганизации биологических часов в пределах одного органа не требуются нейронные сигналы «из центра» или от какого-то другого органа. (Хотя, очевидно, такие сигналы нужны, чтобы согласовать разные органы между собой.) Какой механизм тут срабатывает, исследователи пока не знают, но можно предположить, что клетки просто обмениваются какими-то сигнальными веществами, помогающими им настроить единый ритм.

Результаты исследований опубликованы в Genes & Development.