Генетическая регуляция биоритмов

Одной из характерных особенностей поведения различных живот­ных является феномен периодичности, проявляющийся в том, что пери­оды активности чередуются у них с периодами покоя. Известно, напри­мер, что лев бодрствует 3-4 часа в сутки, а остальное время спит. Тако­го рода ритмы принято называть циркадными (от латинских слов "circa", что означает "вокруг" и "dies", что означает "день"). В некото­рых случаях животные могут ориентироваться во времени суток благо­даря способности, называемой временной памятью. Например, дресси­руя пчел, можно добиться того, что они будут искать корм в определен­ное время дня. Если в течение нескольких дней давать пчелам корм в одно и то же время, они будут продолжать искать его в это же время да­же после прекращения такого кормления. Иными словами, животные обладают своеобразными биологическими часами, которые подобно нашим современным часам связаны с циклическими процессами и мо­гут быть независимыми от чередования дня и ночи. Отдельные случаи эндогенной циклической активности были описаны у животных еще в 1894 г., когда А. Кизель (A. Kiesel) обнаружил, что миграция пигмента у членистоногих продолжается и в отсутствие чередования света и тем­ноты.

У млекопитающих выявлен ритм колебаний содержания гликогена в печени, у насекомых суточная периодичность вылета имаго из куко­лок, у раков - суточные колебания окраски, у человека - способность просыпаться точно в определенное время или в течение дня точно со­блюдать определенные сроки, не пользуясь внешними указателями вре­мени. Проводились поиски тех центров, которые "управляют" процес­сами циклической активности. У тараканов, например, таковыми оказа­лись нейросекреторные клетки головного мозга. Нейральная природа

дно идентифицировать. Сходные колебания содержания гомологичного PER белка были обнаружены в глазах двух видов моллюсков - гастро-под Aplvsia и Bulla. У столь различных организмов как некоторые мле­копитающие (например, мышь) и зеленая водоросль ацетабулярия (Acetabularia) обнаружены последовательности ДНК, гомологичные об­ласти гена per, кодирующие серию треонин-глициновых повторов. По­скольку протеогликаны, сходные с PER белком, содержат серин-глици-новые повторы, можно предполагать, что межвидовые гомологии пред­ставляют протеогликаны, неродственные ритмическим или пейсмекер-ным функциям. Точно так же ген/rc, контролирующий циркадные рит­мы у Neurospora crassa, содержит последовательности ДНК, гомологич­ные области, ответственной за синтез треонин-глициновых повторов. Эти данные свидетельствуют в пользу существования некоего универ­сального молекулярно-генетического механизма, регулирующего цик­личность поведенческих реакций.

Недавно удалось выявить еще один интересный факт: PER белок взаимодействует с другим белком, названным timeless (TIM). Оба соот­ветствующих гена включаются утром, и синтезируемая ими мРНК на­капливается в течение дня (рис. 7.11). По ходу дня уровни PER и TIM возрастают. Эти белки накапливаются в очень высокой концентрации, взаимодействуют друг с другом, образуя комплекс, который проникает в ядро и останавливает транскрипцию собственных генов. Уровни per и tim снижаются в течение ночи, с последующим снижением уровней бел­ков PER и TIM. В конце концов уровень содержания этих белков стано­вится столь низким, что они перестают образовывать комплекс и ре­прессировать транскрипционную активность генов per и tim. Эти гены вновь активируются и начинают активно транскрибировать, так что уровень белков PER и TIM снова возрастает. Такой генетически детер­минированный функциональный цикл и лежит в основе биоритмов. При этом возникает вопрос о том, каким образом реализуется зависи­мость биоритмов от света. Оказалось, что TIM белок инактивируется светом. При освещении разрушается как TIM белок, так и PER-TIM комплекс, a tim и per гены становятся транскрипционно активными. Ко­гда степень освещенности снижается (сумрак к ночи), уровень белка TIM возрастает, вызывая выключение генов per и tim с последующим снижением уровня PER и TIM белков. Экспериментальное освещение животных в ночное время вызывает деструкцию TIM белка и вновь ус­танавливает биологические часы. Механизм разрушения TIM белка светом неизвестен. Тем не менее, циркадный ритм является одной из удобных моделей, демонстрирующих связь поведенческих реакций с молекулярными событиями.

У Neurospora crassa был обнаружен локус frequency (frq) - функцио­нальный аналог гена per. Ограниченное сходство между белками PER и FRQ было обнаружено в области, содержащей пары Thr-Gly и Ser-Gly. Позднее было найдено сходство PER с другими белками. Общий с ними домен был обозначен как PAS и имеет 51-аминокислотные повторы внутри 270-аминокислотной области в терминальной части PER. Пер­вый PAS-повтор (PAS А) опосредует белок-белковые взаимодействия.

головном мозгу насекомого, а также содержания белка PER в ядрах фо-торецепторных клеток. Кроме того, в мозгу шелкопряда найдено 8 ней-росекреторных клеток, предполагаемых пейсмекеров (водителей рит­ма), циклически продуцирующих PER.