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

SO 55 50

во -

! Pte. 7.10. Зависимость периодич­ности песни ухаживания у дрозо­филы от циркадного паттерна: у самцов дикого типа песня ухажива­ния имеет 60-секундный период, per^s мутант имеет 40-секундный период, с -per¹ мутант имеет 90-секундный пери­од. По Snustad et al., 1995.

_BPr,

~ ЬОсек

_{;ЛЛААЛЛАА}

Д икий тип

so

BO 55 50

I

-УОсек

Время

я меет молекулярный вес око­ло 127 000. Две минорных РНК продуцируются посред­ством альтернативного сплай-янга близ З¹ - конца, так что юзможно образование трех елков, однако значение их

еизвестно. Продукт per локуса образуется во многих тканях, включая ибриональную, куколочную и взрослую нервную систему, пищевод, шки, яичники. Этот продукт локализуется преимущественно в кле-)чных ядрах и, возможно, действует как транскрипционный фактор, н сходен с белками, кодируемыми тремя другими генами, кодирующи-[ (а)человеческий aryl hydrocarbon рецептор, ядерный транспортер ого рецептора и singleminded белок Drosophila melanogaster. Эти гены цержат домен размером примерно в 270 аминокислот, который ис-пьзуется для димеризации и взаимодействия с партнером, который (ержит ДНК-связывающую область и потому функционирует как шскрипционный регулятор.

Известны и другие гены, оказывающие влияние на биоритм - это щепленные Clock и Andante локусы, слабо действующие в направле-[ укорочения или удлинения цикла соответственно. Белок PER, отно-щйся к протеогликанам, экспрессируется в мозге, в глиальных клет-и в некоторых нервных клетках. Экспрессируется он и в других тка-. Были предприняты попытки обнаружить клетки, ответственные за троль циркадного ритма. В результате в мозге был найден комплекс тральных нейронов, обнаруживающих циркадные колебания в со-кании PER белка. Оказалось, что синтез PER белка и per мРНК ха-геризуется ритмичностью, у мутантов per⁰ эта ритмичность наруша-. Найдено, что белок PER взаимодействует с другими белками, в ре-тате чего тормозится синтез per мРНК, и уровень содержания этой I снижается ночью, так что синтезируется меньше соответствующе-елка. У мух дикого типа цикл репрессии-дерепрессии синтеза per '. подчинен 24-часовому ритму. Если в геном мух per⁰ ввести индуци-[ую тепловым шоком копию гена рег+, обозначенную hspcper, то сгенные животные перестают проявлять аритмичность циркадного а и переходят в своем поведении на 24-часовой цикл активности. Z помощью иммуногистохимической реакции были показаны соот-^вующие циркадному ритму колебания в содержании PER белка в сых нейронах дрозофилы и в мелких нейронах мозга, которые тру-

Рис. 7.9. Способ регистрации ] ного ритма у дрозофилы. Объяснение! в тексте. По Snustad et al., 1995.

Время дня

контроля биоритмов, возможно,! связанная с активностью опреде-1 ленных групп нейронов и нейросе-креторных клеток мозга, прису­ща, по-видимому, и другим живот­ным. У млекопитающих, напри­мер, показано, что центром, упра-1 вляющим биоритмами, является I супрахиазматическое ядро гипота­ламуса - отдела мозга, особенно богатого нейросекреторными | клетками.

Такая эндогенная ритмическая I

активность имеет наследственную основу. Особенно большие успехи были достигнуты в этом направлении при изучении биоритмов у дрозо­филы, у которой открыт соответствующий ген period (per), локализо­ванный в X хромосоме, в области ЗВ1-2 и контролирующий периодич­ность активности мухи в течение суток. Для измерения этой активности муху помещают в стеклянную трубку, каждый конец которой освеща­ется красным светом. Муха не может видеть красный цвет. Пересече­ние ею луча света с каждой стороны трубки регистрируется и характе­ризует уровень активности животного (рис. 7.9). В период большей ак­тивности муха чаще пересекает луч света.

Известны мутанты щшофтаы с таменением характера цикличе­ской активности. В частности, per⁰ аллель характеризуется аритмично­стью поведения, per^s (short) аллель детерминирует цикличность с 19-ча­совым интервалом вместо "нормального" 24-часового, per¹ (long) изме­няет интервал "дикого типа" на 29-часовой. Локус per контролирует также время вылета имаго из куколок. Мухи per* вылетают из куколок утром, когда наиболее благоприятны условия для того, чтобы распра­вить и высушить крылья и отправиться в полет. Паттерн вылета син­хронизирован в соответствии с 24-часовым циклом. Мутанты per⁰ не об­наруживают в этом отношении цикличности и могут вылететь в любое время дня и ночи. Мутанты с удлиненным и укороченным циклом име­ют и соответственно измененные паттерны вылета. Интересно, что та-1 кой элемент ухаживания дрозофилы, как песня, также зависит от гена per (рис. 7.10).

Естественно, встает вопрос о молекулярно-генетических механиз­мах регуляции циркадного ритма. Ген per дрозофилы был изолирован и идентифицирован его белковый продукт PER. Тек per имеет 7 кб длины, 8 экзонов, первый из которых является некодирующим и синтезирует транскрипт длиной 4,5 кб. При этом возникает по крайней мере три раз­личных РНК. Локус per был секвенирован, его продукт-полипептид

! нейроны активируются продуктами гена, кодирующего гормон отклад­ки яиц (ГОЯ), причем сначала образуется белок-предшественник, в со­став которого входит несколько активных фрагментов-пептидов (рис. 7.8). Этот предшественник расщепляется специальными фермен­тами, и продукты расщепления влияют на функции нервных клеток, ко­торые управляют кладкой яиц, стимулируя одни и тормозя другие. Так бета-пептид возбуждает клетки L1 и R1, альфа-фактор тормозит клет­ки L2, L3, L4, L6, ГОЯ усиливает импульсацию нейрона R15, а также выделяется в кровоток и действует как гормон, вызывая сокращение мускулатуры в протоке гермафродитной железы. От мозаики распреде­ления активированных и заторможенных нейронов зависит успех реак-| ции в целом.

Гомологичный с моллюском пептид был обнаружен и у дрозофилы. Это Phe-Met-Arg-Phe-NH₂ (FMRF-amide). Этот пептид так же, как у ап-лизии, первоначально входит в состав более сложного предшественни­ка. Этот предшественник синтезируется в нейросекреторных клетках мозга и, как и у аплизии, регулирует реакцию откладывания яиц, демон­стрируя достаточно универсальный характер описанного механизма.