Биологические часы на трёх генах

Вы никогда не задумывались, почему цветки тюльпана раскрываются днем и прячут свои лепестки ночью? Или почему сакура цветет в строго отведенное ей время? За последние две тысячи лет предлагалось много гипотез. Казалось, что на цветение влияют колебания влажности, продолжительность светового времени суток, изменения температуры и даже содержания газов в воздухе.

В последнем номере журнала Science опубликована работа, проливающая свет на механизм циркадных (циркадианных) ритмов. Ответить на этот фундаментальный вопрос помог любимец генетиков Arabidopsis thaliana, ставший в биологии своеобразной «дрозофиллой Моргана» последнего десятилетия.

Первое упоминание о циркадных ритмах встречается еще в IV веке до н.э.. Андростен в описаниях походов Александра Македонского упомянул и об изменении положения листьев финикового дерева в течение дня. Основателем современной хронобиологии – науки о периодичности процессов в живых организмах и их связи с лунными и солнечными циклами – считается Франц Хальберг, начавший свои эксперименты в 1940 году. Именно он и предложил термин циркадный, а позднее даже основал первую лабораторию хронобиологии в университете Миннесоты.

Если у простейших удалось найти «внутренние биологические часы», не зависящие от факторов окружающей среды, то у растений пока удалось обнаружить только циклы, регулируемые солнечным светом.

Независимые исследования двух групп ученых из исследовательского института имени Скриппса, Йельского университета в США и Мадридского национального центра показали фотопериодичность работы трех генов – CO, FKF1 и GI. Раньше было известно о роли гена CONSTANS (CO) в определении времени цветения, но ученым не удавалось выяснить пусковой механизм в его работе. Оказалось, что для синтеза соответствующего белка гену СО необходимы два «компаньона» – FKF1 и GI.

Выявленный механизм оказался примитивно простым – под действием синей части спектра солнечного света белки-продукты генов FKF1 и GI связываются друг с другом и запускают работу гена CO.

Исследователи симулировали «короткий, зимний» (8 часов света и 16 часов темноты) и «длинный, летний» (16 часов света и 8 часов темноты) дни. Выяснилось, что синтез белка CO запускается через 4 часа после начала освещения и останавливается в темноте. Поскольку синтезированный белок за ночь разрушается, то необходимая для цветения концентрация достигается лишь в условиях «долгого» летнего дня.

Выяснив, что ключевую роль в этом играет взаимодействие FKF1-GI, Марико Сава и Дмитрий Нусинов занялись исследованием этого комплекса. В этом взаимодействии ген FGF1 играет роль своеобразного фоторецептора, изменяющего свое функциональное состояние в зависимости от освещения. Его активность зависит от синей части спектра видимого света, которой достаточно даже в самый облачный день.

Интересно, что в недавно исследованном простейшем циркадном цикле цианобактерий также оказались замешаны именно три гена. Учёные из Гарвардского университета выяснили, что суточный цикл исследованных цианобактерий определяется циклическими реакциями присоединения фосфатных групп к определенным участкам группы белков. Авторам удалось установить механизм работы простейшей бактериальной системы из трех белков: KaiA, KaiB и KaiC. Их взаимодействие приводит к циклическим изменениям каждого из них, и полный цикл превращений занимает одни сутки. При том этот механизм является чисто внутренним и от освещения не зависит.

Пока не ясно, является ли участие именно трёх компонентов в работе биологических часов универсальным свойством жизни. Возможно, это лишь минимально необходимое для функционирования подобного механизма число, а в более сложных «часах» наука ещё просто не успела разобраться. Так или иначе, жизнь сложных организмов регулирует огромное число различных ритмов, а исследования их молекулярных основ только начинаются.