Как работают "клеточные часы" в организме человека

Сто лет назад, 14 июля (1 июля по старому стилю) 1917 года, в России впервые осуществлен переход с зимнего на летнее время. Тут мы последовали за Великобританией, которая первая из всех стран в целях экономии энергии сдвинула ритмы социальной жизни ближе к границам светового дня, сделав это еще в 1908 году. С тех пор не утихают споры хронобиологов: стоит ли резко менять уклад жизни миллионов людей или сдвиг на самом деле не сильно влияет на установившиеся биоритмы человека?

Напомним, что если какой-то процесс, отклонившись от начального уровня, возвращается к нему же, — это называется циклом, а если циклы повторяются несколько раз, — говорят о наличии ритмов. Таких биоритмов в организме человека найдено более трехсот: суточные, месячные, годовые… В своих исследованиях хронобиологи ушли уже очень далеко, поставив опыты по извлечению отдельной клетки из организма человека и проанализировав ее индивидуальные биоритмы. Оказалось, что маленькая клеточка продолжает жить вне организма, соотнося свою активность с устоявшимися биоритмами. Более того, если клетка взята из организма человека-"совы", то активность его отдельной клетки будет отличаться по периоду ее проявления от клетки, взятой из организма "жаворонка".

Получается, что внутри каждой из триллиона человеческих клеток спрятаны часы, которые отсчитывают свое, внутриклеточное время? Как же эти часы работают?

Оказывается, существуют специальные "часовые гены", которые регулируют образование белков, ответственных за проявление активности. Первый такой ген был найден в геноме мушки-дрозофилы, его назвали Period или Per. Потом стало ясно, что таких генов несколько: BMal, Clock, Per, Cry, Rev-erbα, Rora и другие. После того как ученые научились отключать конкретные гены, стало ясно, что, например, при отключении гена Cry1 суточный цикл становится укороченным, а с выключенным Cry2 — удлиненным. Если же выключить два этих гена, животное (опыты проводились на мышах) полностью теряет чувство времени.

Выяснилось, что синдромы раннего засыпания или позднего просыпания у людей также можно найти в генах. При раннем засыпании причиной может быть мутация в гене hРer2 (h здесь от human — человеческий), а позднее просыпание связывают с изменившимся геном hPer3.

Однако здесь речь идет о нарушениях, болезнях, а как же процесс регулирования происходит в клетке обыкновенного здорового человека? Процесс  этот начинается под действием солнечных лучей. Начинают работать центральные часы организма, которые расположены в головном мозге и состоят из двух основных элементов: супрахиазматических ядер (СХЯ) гипоталамуса и эпифиза.

Супрахиазматические ядра обладают способностью поддерживать автономный околосуточный ритм электрической активности и навязывают этот ритм внутриклеточным часам.

Внутриклеточные часы также обладают относительной автономностью: они могут поддерживать ритм активности в течение нескольких суток и даже недель в условиях полной темноты. "Циферблат" этих часов разбит на две части: "день" и "ночь", а "стрелками" служат "превращения" белков-активаторов BMal1 и Clock. Эти белки сначала накапливаются в цитоплазме (см. начальную иллюстрацию статьи), потом переходят в ядро клетки и там прикрепляются к специальному участку на ДНК, который называется E-box.

При этом включаются в работу часовые гены Per и Cry. Это происходит рано утром. К полудню вырабатывается максимальное количество белков Per и Cry. В ночной период они постепенно возвращаются в ядро и гасят активность белков BMal1 и Clock, образуя с ними прочный комплекс, что приводит к блокировке генов Per и Cry. Потом белки Per и Cry постепенно распадаются, и молекулы BMal1 и Clock высвобождаются, чтобы начать новый суточный цикл. 

Из-за того, что все органы человека синхронизированы, и существует проблема с джетлагом (синдром смены часового пояса). Из-за рассинхронизации бодрствования человека с суточным циклом Земли, как доказано во многих исследованиях, возникают различные болезни, падает иммунитет, люди чувствуют усталость.

Поэтому изучение возможности сдвига биоритмов изучается во многих лабораториях мира, в частности в Самарском национальном исследовательском университете имени академика С. П. Королева. В настоящий момент ученые кафедры физиологии человека и животных под руководством доктора биологических наук, профессора Алексея Инюшкина проводят эксперименты по перенастройке биологических часов с помощью регуляторов, которые влияют на аппетит и метаболизм, — это лептин, аргинин-вазопрессин и вазоактивный интестинальный пептид. Главный вопрос: как эти регуляторы влияют на активность клеток в супрахиазматическом ядре? Последние данные говорят о том, что, возможно, скоро ученые смогут предложить людям, мучающимся от смены поясов при длительных перелетах, "лекарство от джетлага".