УДК 612.014.3+612.014.4+612.06
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ И ПРИНЦИПЫ РАЗВИТИЯ ДЕСИНХРОНОЗА
© 2013 г. Д. Г. Губин
ГБОУ ВПО Тюменская государственная медицинская академия
В обзоре рассмотрены современные представления о молекулярно-генетических механизмах, лежащих в основе циркадианной системы. Обобщены данные о фенотипических проявлениях амплитудно-фазовых нарушений ритмически протекающих процессов на уровне генома - транс-криптома и протеома. Обсуждается многообразие пагубных для здоровья последствий системной десинхронизации. Предложена модель экстрациркадианной диссеминации физиологических функций организма как общего проявления десинхроноза на фенотипическом уровне.
Ключевые слова: циркадианные ритмы, гены биологических часов, десинхроноз, геном, транс-криптом, протеом, хронобиология, хрономедицина, экстрациркадианная диссеминация.
ВВЕДЕНИЕ
Для живых организмов самого разного уровня организации характерно наличие эволюционно-обусловленной эндогенной циркадианной ритмичности. Каждая клетка млекопитающего представляет собой потенциальный осциллятор, так как в ней присутствуют необходимые элементы, определяющие молекулярно-генетические механизмы циркадианных биологических часов (БЧ), которые могут быть активированы при тех или иных условиях [32]. Однако, в отсутствие цикла изменения внешней освещенности, БЧ испытывают свободно-текущий, или фазово-дрейфующий характер с периодом, отличным от точного значения = 24 ч. Отклонения периода ритма возможны в диапазоне 24±4 часа (откуда и появилось представление о циркадианной, или около суточной ритмичности) [29, 74, 127]. Причем направление сдвига в ту или иную сторону от 24 ч зависит от уровня внешней освещенности и по мере ее увеличения у видов с дневным и ночным типом активности, изменяется разнонаправлено, согласно правилу Ашоффа [30]. Циркадианные ритмы у видов с дневным типом активности зачастую не подчиняются классическому правилу. Для многоклеточных животных по мере усложнения их уровня организации возрастает значение регулирующих общую гармонию ритмов центральных осцилляторов, но в то же время и усложняются механизмы поддержания ритмических процессов в периферических тканях и органах. В настоящее время большинством ученых поддерживается
концепция мультиосцилляторной модели регуляции циркадианной системы млекопитающих с центральным осциллятором в супрахиазма-тических ядрах гипоталамуса (СХЯ) и главным гуморальным модулятором - эпифизом, осуществляющим свою хронобиотическую функцию посредством "гормона ночи" мелатонина. Однако периферические механизмы регуляции цир-кадианных процессов в органах и тканях также заслуженно привлекают к себе возрастающее внимание [81, 102, 155]. Циклические процессы, наблюдаемые от молекулярного до биосферного уровня, сегодня рассматриваются как "общезначимое, абсолютное, инвариантное, что заложено, как в каждой живой системе, так и в неживых объектах" [19, 20, 117, 135]. Универсальность принципа цикличности в системной организации организма позволяет по-новому взглянуть как на механизмы формирования десинхронизации биохимических и физиологических функций, так и на развитие заболеваний [19] и процесс старения [68]. В настоящем обзоре проанализированы современные данные о молекулярно-генетических механизмах, лежащих в основе циркадианной системы в целом. Обобщены результаты исследований о фенотипических проявлениях амплитудно-фазовых нарушений ритмически протекающих процессов на уровне генома - транскриптома и протеома. Обсуждается многообразие пагубных для здоровья последствий системной десин-хронизации. Обоснована модель возникновения стохастических гармоник биохимических и физиологических процессов, обнаруживаемых
при различных стрессовых и патологических состояниях, а также в процессе старения. Возникающее на фоне десинхронизации снижение циркадианной амплитуды ритмов разнообразных физиологических, биохимических и поведенческих функций, наблюдаемых в фундаментальных и клинических исследованиях (фенотипических ритмов), сопровождается ростом ультра- и (или) инфрадианных колебаний, как правило, носящих нерегулярный характер их амплитуд и фаз. Такое, наиболее общее проявлений системной десинхро-низации получило название "экстрациркадианная диссеминация" (ЭЦД). ЭЦД рассматривается как наиболее общее проявления десинхроноза на фе-нотипическом уровне.
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ: ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ
В 90-е гг. прошедшего века были описаны основные принципы работы БЧ на молекулярно-ге-нетическом уровне. Ключевые гены БЧ млекопитающих включают в себя ген Bmal, работающий в паре с геном Clock, семейство генов Per (их разновидности: Per1, Per2, Per3) и гены Cry (их разновидности: Cryl, Cry2 - кодирующие белки криптохромы), но имеются также и некоторые другие, активность которых влияет на ключевые гены, либо подконтрольны им (последние носят название "clock-controlled genes", далее "ccg"). Ключевые гены БЧ млекопитающих: Clock, Bmal, Per и Cry. Гены Clock/Bmal составляют позитивное звено петли обратной связи, а гены Per/ Cry - негативное её звено. Для проявления своей функциональной активности белковые продукты генов: CLOCK/BMAL и PER/CRY должны образовать между собой пары - гетеродимеры, первая (CLOCK/BMAL - проявляющая функцию
активаторов транскрипции генов второй пары только после своей димеризации) и вторая (PER/ CRY - входящая в ядро и тормозящая транскрипцию первой пары генов также только после своей димеризации) [155]. Отдельные белки сами по себе неспособны проявлять функциональную активность в качестве БЧ. Следует заметить, что в СХЯ м-РНК и соответствующие белки BMAL, PER и CRY образуются ритмично, в определенные фазы суточного цикла, тогда как продукция м-РНК и белка CLOCK происходит постоянно [113] (рисунок). Акрофаза транскрипции BMal м-РНК приходится на середину-вторую половину темновой фазы суток, а соответствующего белка - на ранние утренние часы.
Белки-активаторы BMAL1 и CLOCK связываются с регуляторным участком ДНК E-бокс (E-box) - специфическим гексануклеотидным (CACGTG/T) фрагментом промотора, распознающим "стартовый" транскрипционный фактор БЧ - белковый гетеродимер CLOCK/BMAL1, при этом включаются в работу гены Per и Cry. Для обеспечения функциональной активности гетеро-димера CLOCK/BMAL1 (начала экспрессии Per и Cry) требуется предварительное ацетилирование хроматина [53], за счет чего создается кратковременное "циркадианное окно", чем обеспечивается тонкая подстройка фазы БЧ. Ритмически протекающие процессы ацетилирования, деаце-тилирования и метилирования гистонов вносят существенный вклад в регуляцию циркадианной ритмичности в целом [136]. Любопытно, что белок CLOCK обладает самостоятельной способностью выступать в качестве гистон-ацетилтрансферазы и осуществляет своего рода партнерскую помощь своему димеру BMAL1, участвуя в ацетилирова-нии его хроматина [83]. Через 2 часа после активации часовых генов негативного звена в клетке наблюдается пик концентрации соответствующих
с
Две основные петли обратной связи клеточных БЧ.
м-РНК, а к послеполуденному времени (середине световой фазы при лабораторных условиях) накапливается максимальное количество белков PER и CRY.
Эти белковые молекулы сначала сосредотачиваются в клеточной цитоплазме где, примерно в течение 4-х ч, их концентрация достигает порогового уровня, достаточного для образования PER-комплекса (PER/CRY), состоящего из трех белков PER и двух белков CRY, что приходится уже на вечерние часы, после чего они постепенно транспортируются в ядро. Там активность комплекса PER/CRY направлена на подавление функций гетеродимера BMAL1/CLOCK путем образования с ними сложной конструкции с привлечением дополнительных факторов ингибирова-ния транскрипции, что впоследствии приводит и к блокировке генов Per и Cry. Так, репрессия гена Perl обусловлена привлечением комплекса SIN3-HDAC3 (регулятор транскрипции SIN3 + гистон-деацетилаза 3) [51]. В репрессии Per2 вероятно задействована HDAC1, гистон-деацетилаза 1 [48]. Затем белки PER и CRY постепенно распадаются, (при участии механизмов фосфорилирования и убиквити нирования, более подробно обсуждаемых далее), а белки BMAL1 и CLOCK вновь образуются, чтобы начать очередной суточный цикл в клетке - включить часовые гены Per и Cry. Большой интерес для понимания ежесуточного рестарта БЧ представляет недавно открытый механизм активации генов Per, в частности Per2, использующий фактор транскрипции JARID1a, блокирующий активность HDAC1 и запускающий ацетилирование гистонов, облегчая доступ димера CLOCK/BMAL к промотору Per2 [14].
Вторая, своего рода страховочная [155], петля отрицательной обратной связи у млекопитающих обусловлена конкурентным и разнонаправленным взаимодействием белков REV-ERBa и RORA с элементом RORE (retinoic acid-related orphan receptor response element) - распознающим участком промотора гена BMal [162]. Первый белковый продукт, REV-ERBa, - член семьи ядерных рецепторов REV-ERB, связываясь с промоторным участком BMal, препятствует его транскрипции. Такое супрессорное воздействие REV-ERBa опосредовано привлечением комплекса NCoR/ HDAC3 (ядерный корепрессор + гистон-деацетилаза 3) [180]. Акрофаза образования белков REV-ERBa приходится на середину световой фазы суток. Таким образом, REV-ERBa замедляет образование м-РНК и белков BMAL, отодвигая их акрофазы соответственно - на ночные и ранние утренние часы. Второй белковый фактор семьи ядерных рецепторов, RORA (ретиноидный орфа-
новый рецептор альфа) взаимодействуя с тем же промоторным участком BMal (RORE), выступает в качестве активатора его транскрипции [144]. Гетеродимер CLOCK/BMAL, в свою очередь, способствует транскрипции гена rev-erba, замыкая контур обратной связи второй цепи (см. рисунок). У животных, лишенных гена rev-erba (rev-erba-/-), при содержании их в постоянной темноте, наблюдается ускорение циркадианной ритмичности: существенное укорочение значения циркадиан-ного периода, Tcd (Tcd < 24 ч) и атипичный характер подстройки фазового ответа на световой стимул [129]. Среди прочих, наиболее важных и обстоятель
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.