биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Прообраз биологических часов

[28 мая, 2012 г.]

Циркадные ритмы — циклические колебания интенсивности разнообразных биологических процессов — отражены и на биохимическом, и на генетическом уровнях. Международная команда биологов нашла, возможно, «универсальный» маркер этих ритмов — пероксиредоксин, защищающий организмы от повреждения токсичными продуктами кислородного дыхания. Этот фермент превращается из окисленной формы в восстановленную с периодом около 24 часов, причем так происходит во всех трех доменах жизни. Исследователи считают, что прообраз биологических часов возник одновременно с «кислородной катастрофой», когда всему живому на Земле пришлось резко адаптироваться к окислительной атмосфере.

Не исключено, что самые древние «биологические часы» были заведены 2.5 млрд. лет назад, когда на Земле появились фотосинтезирующие организмы, давшие начало кислородной катастрофе и до неузнаваемости изменившие облик планеты. Этот вывод сделали авторы статьи, недавно опубликованной в Nature [1]: они обнаружили, что уровень ферментов, расщепляющих токсичные побочные продукты кислородного дыхания, циклически колеблется во времени, и главное, что такая закономерность повторяется в совершенно разных организмах всех трех доменов жизни [2].

Практически все известные формы жизни имеют внутри «биологические часы», называемые циркадными ритмами. Эти ритмы имеют период около 24 часов, но существуют они и в отсутствии доступа солнечного света, то есть, не зависят от него напрямую. Однако связь с сигналами извне, бесспорно, присутствует, и используется, например, для «ресета» внутренних часов — о чем интуитивно знает каждый, кто летал самолетом со сменой нескольких часовых поясов.

Циркадные ритмы глубоко вплетены в молекулярные основы жизнедеятельности всех организмов. Они регулируют выработку фотосинтетических компонент у растений, помогают бабочкам-монархам совершать перелеты через Северную Америку, контролируют циклы сна и бодрствования [3], а также периодичность питания [4]. Одноклеточные водоросли с «отключенным» на молекулярном уровне циркадным ритмом погибают.

Несмотря на повсеместную распространенность этого механизма, устроен он у всех организмов по-разному: гены, определяющие ход «молекулярных часов», не имеют ничего общего у дрозофилы и человека, растений и бактерий, — по-видимому, у них нет общего предшественника. «Такое ощущение, что этот велосипед изобретали пять раз», — говорит Ахилеш Редди (Akhilesh Reddy), главный автор статьи в Nature [5].

Поиск во времени

В поисках прообраза биологических часов исследователи обратили внимание на группу ферментов под названием пероксиредоксины, присутствующих практически во всех организмах и участвующих в утилизации токсичной перекиси водорода, являющейся побочным продуктом кислородного дыхания. В 2011 году Редди с коллегами открыли, что этот фермент в эритроцитах человека [6] и в морских водорослях [7] переходит из окисленной формы в восстановленную с периодом около 24 часов. (См. также «Открыт альтернативный принцип работы биологических часов» [8].)

В этом (2012-м) году они решили расширить перечень исследованных организмов до мышей, плодовой мушки дрозофилы, растений, архей и бактерий — первых форм жизни, появившихся на планете более трех миллиардов лет назад. Во всех случаях пероксиредоксин оказался «хранителем времени» в отсутствии света, а значит, и неотъемлемой компонентой циркадного ритма. Однако пероксиредоксиновые часы не лежат в основе и не основываются на других биохимических циклах, действующих в организме: прицельное «выключение» известных ранее и специфических для каждой группы организмов молекулярных путей не останавливало окислительно-восстановительную динамику пероксиредоксина.

Пока что в работе «биохимических часов» еще слишком много непонятного. Они могут работать независимо от других циркадных ритмов, но вот зависят ли сами циркадные ритмы от превращений пероксиредоксина, — еще предстоит установить. «Я не думаю, чтобы этот или какой-то другой из еще не найденных ферментов являлся таймером единолично. Скорее всего, сразу несколько белков обладают свойством цикличных превращений», — говорит Редди [5].

Однако Редди предполагает, что пероксиредоксин вполне может оказаться прообразом всех биологических часов. Он с коллегами считает, что вся эта система появилась 2.5 млрд. лет назад, когда на планете зародились фотосинтетические организмы, изменившие характер атмосферы с восстановительного на окислительный (это событие известно под именем «кислородной катастрофы»).

Учитывая, что фотосинтез черпает энергию исключительно из солнечного излучения, количество кислорода в атмосфере в те времена должно было сильно зависеть от времени суток. И организмы, которые научились вслед за этой флуктуацией производить ферменты, подобные пероксиредоксину, должны были получить эволюционное преимущество, поскольку были лучше защищены от токсического действия побочных продуктов кислородных процессов.

Существует, впрочем, и альтернативное объяснение возникновению циркадных ритмов: они могли развиться как адаптация к циклическому облучению повреждающим ультрафиолетовым облучением (и кислород как таковой тут ни при чем). Эта гипотеза также имеет смысл, поскольку некоторые из «циркадных» генов чем-то напоминают ферменты, принимающие участие в репарации ДНК, поврежденной ультрафиолетом. Исследователи отмечают, что найти окончательный ответ на этот вопрос будет сложновато.

Написано по материалам Nature News [5].

Литература


  1. Edgar R.S., Green E.W., Zhao Y., van Ooijen G., Olmedo M., Qin X., Xu Y., Pan M., Valekunja U.K., Feeney K.A., Maywood E.S., Hastings M.H., Baliga N.S., Merrow M., Millar A.J., Johnson C.H., Kyriacou C.P., O’Neill J.S., Reddy A.B. (2012). Peroxiredoxins are conserved markers of circadian rhythms. Nature 485, 459–464;
  2. биомолекула: «Эволюция между молотом и наковальней, или как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией»;
  3. биомолекула: «Бессонные ночи дрозофилы»;
  4. биомолекула: «Найдена связь между обменом веществ и циркадным ритмом»;
  5. Nature News — A biological clock to wind them all;
  6. O’Neill J.S., Reddy A.B. (2011). Circadian clocks in human red blood cells. Nature 469, 498–503;
  7. O’Neill J.S., van Ooijen G., Dixon L.E., Troein C., Corellou F., Bouget F.Y., Reddy A.B., Millar A.J. (2011). Circadian rhythms persist without transcription in a eukaryote. Nature 469, 554–558;
  8. Элементы: «Открыт альтернативный принцип работы биологических часов».

Автор: Чугунов Антон.

Число просмотров: 991.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.