Часы повсюду

Часы повсюду

Генетические мутанты — это рабочие лошадки биологии. Шестипалые кошки, двухголовые змеи и сросшиеся телами козы — не просто диковинки. С их помощью мы можем понять основы строения и функционирования нормальных организмов. Гены мутантных организмов функционируют неправильно, но их научная ценность состоит в том, что они могут многое рассказать о работе нормальных генов.

Допустим, у нас имеется мутантное животное без глаз. Понятно, что между мутантным и нормальным животным существует некое генетическое различие. Чтобы выделить дефектный ген, нужно провести большую работу, но, скрещивая мутантных и нормальных животных, можно идентифицировать этот ген и даже выявить конкретное нарушение в последовательности ДНК. Знание последовательности — вот ключ к пониманию молекулярных механизмов, регулирующих формирование глаз. То же можно сказать практически о любом гене в организме.

Этот подход оказался настолько продуктивным, что многие лаборатории занялись прочесыванием популяций в поисках подходящих мутантов. Многие сделали научную карьеру и даже получили Нобелевскую премию благодаря классификации мутантов или просто благодаря находке «правильных» мутантов с дополнительными пальцами, выпученными глазами, необычными конечностями или сердцами. Награда может быть сколь угодно высока, но получение результата часто зависит от случая. Некоторые мутации обнаруживаются лишь у одной особи из ста тысяч. К сожалению, труднее всего работать с млекопитающими (которые как раз сильнее всего нас интересуют): они медленно развиваются и большую часть критического периода развития скрыты от наблюдения в чреве матери.

В частности поэтому в последние сто лет излюбленным объектом для изучения генов животных являются мухи. В отличие от млекопитающих или пресмыкающихся, мух можно добыть сколько угодно, поскольку они очень быстро воспроизводятся и развиваются. Наличие постоянного источника эмбрионов позволило ученым не только получить множество мутантов, но и описать их, классифицировать и запасти для других исследований.

Сеймур Бензер

Зачем ждать милости от природы, если можно сотворить мутанта? Процесс внесения мутаций в ДНК достаточно прост (по крайней мере в теории). Время воспроизводства мух — около недели. Если взять несколько дрозофил и обработать определенными химическими веществами или подвергнуть их облучению (это нарушает процесс копирования ДНК), то в следующем поколении мы получим множество мутантов (возможно, среди них будут нужные нам особи со странными конечностями, необычными глазами и так далее).

В конце 60-х годов лаборатория Сеймура Бензера в Калифорнийском технологическом институте являлась ведущим научным центром по изучению мутантов всех сортов. Студент Рональд Конопка решил использовать мутантов по-своему. В лаборатории Бензера занимались изучением поведения животных, и к тому времени, когда Конопка пришел в группу, в лаборатории уже были собраны мутанты с необычным брачным поведением и танцами.

Конопка намеревался использовать мутантов, чтобы изучить генетические основы биологических часов. Его идея шла вразрез с общепринятой точкой зрения. Тогда считалось, что биологические часы — это что-то вроде очень сложно устроенного секундомера.

Но Конопка оказался в нужном месте и в нужное время: Бензер был кровно заинтересован в выяснении принципа действия биологических часов. Он был типичной «совой» и засиживался в лаборатории до поздней ночи, тогда как его жена ложилась спать вскоре после ужина. Возможно, мутантные мухи смогут помочь супругам, встречающимся лишь за обеденным столом.

Конопка долго возился с дрозофилами. Личинки дрозофил выводятся из яиц, едят и наконец обзаводятся твердым внешним каркасом, из которого в итоге вылезает взрослая муха. Появление взрослых особей обычно приходится на раннее утро — самое холодное время суток. Так уж настроены мушиные внутренние часы: мухи, выведенные в искусственном цикле день/ночь, выводятся в конце ночного периода.

Примерно через двести циклов мутаций Конопка получил несколько особей, у которых временные рамки были смещены: некоторые вылуплялись слишком рано, другие слишком поздно, а третьи вообще в случайное время суток. Это было то, что нужно: изменение времени рождения практически наверняка было вызвано какими-то генетическими дефектами. Возможно, был испорчен часовой механизм дрозофилы.

В лаборатории мух каждого типа скрестили с такими же и вывели линии мутантных животных. С их помощью Конопка и Бензер начали исследование молекулярного механизма биоритмов.

Как и любой ген, ген Конопки производит белок, выполняющий в организме некую работу. Если ген известен, можно попытаться ответить на важный вопрос, где и когда функционирует кодируемый им белок. У нормальных дрозофил уровень синтеза этого белка достигает максимума в поздние ночные часы, а затем падает практически до нуля. Знание этой закономерности позволило ученым понять суть обнаруженных мутаций. У дрозофил, которые вылуплялись слишком рано, максимальный уровень синтеза данного белка тоже достигался слишком рано. У тех, что появлялись поздно, пик синтеза наблюдался слишком поздно. Сам белок у дрозофил с нарушенным суточным ритмом оказался испорченным. Снижение активности белка полностью соответствовало нарушению суточного ритма.

К этому времени ученые из других лабораторий тоже приступили к решению этой проблемы. С помощью новых методов генетики удалось выделить ДНК и обнаружить ряд других генов, задействованных в данной системе. С открытием каждого нового гена постепенно прояснялся механизм работы биологических часов дрозофилы.

Если заглянуть в «часовой механизм» организма, мы увидим внутриклеточный аналог маятника. В данном случае отсчет времени осуществляется благодаря последовательностям химических реакций, скорости которых определены физическими и химическими законами. В результате активации ДНК синтезируются взаимодействующие друг с другом белки. Они транспортируются в определенные клеточные отделы и выполняют различные задания, среди которых активация новой порции ДНК. Этот цикл постоянно возобновляется. Скорость раскачивания маятника определяется скоростью образования, превращения и транспорта белков, а также скоростью их взаимодействия с ДНК.

Мутантные дрозофилы позволили не только обнаружить гены, контролирующие биологический ритм у дрозофил, но и найти способ изучения часового механизма в организме человека.

Спустя примерно десять лет после открытия Конопки и Бензера студент Мартин Ральф занялся поиском генов, контролирующих биоритмы у млекопитающих. Ральф и его научный руководитель работали в Орегоне с сирийскими хомячками. Хомяки бегали в колесе, а ученые регистрировали их активность. В норме у хомяков есть периоды активности и отдыха, которые в сумме составляют двадцать четыре часа.

Каждый хомяк, поступавший в лабораторию, подвергался тестированию на колесе. Ральф надеялся, что однажды обнаружит животное с аномальным ритмом активности и отдыха. Он поставил на то, что среди еженедельно поступавших хомяков рано или поздно найдется мутантное животное.

Однажды Ральф получил новую партию животных, запустил их в клетку и начал наблюдать за их поведением на колесе. К его радости (и, несомненно, облегчению) цикл активности и отдыха одного из животных сильно отличался от обычного двадцатичетырехчасового цикла. Сутки для этого хомяка укладывались в двадцать два часа. Ральф скрестил этого хомяка с другими и в их потомстве также обнаружил особей с укороченным суточным циклом активности и отдыха. Нарушение суточного ритма было связано с мутацией гена.

Когда Ральф и другие стали изучать этот ген, они выяснили, что его действие в основном связано с небольшой группой клеток в ткани мозга. Мутация затрагивала клетки в участке, обнаруженном Рихтером. Ральф выиграл пари.

Картина еще более прояснилась в начале 90-х годов XX века, когда в клинику сна в Солт-Лейк-Сити обратилась пациентка со странной проблемой. Спала она по восемь часов, но в какое бы время она ни пыталась лечь спать, засыпала она всегда в 19.30, и это означало, что просыпалась она в 3.30. Ее часовой механизм работал, но со сдвигом. Когда пациент обращается в клинику, его обкладывают датчиками, которые во время сна регистрируют скорость дыхания и сердцебиения, температуру тела и другие параметры. Ничего необычного в состоянии пациентки обнаружено не было.

Однако женщина сообщила удивительный факт: среди ее родственников были люди с точно такой же странностью. Родственники, жившие в разных местах, тоже вставали очень рано. Кто-то из них в детстве спал нормально, но со временем перешел на этот странный режим. Постепенно ученые начали понимать, что дело не в том, где эти люди живут или что едят.

Было составлено генеалогическое древо, на котором отметили всех людей с нарушением и без нарушения сна. Картина прояснилась: это был классический пример проявления генетического признака, как в случае с мутантными дрозофилами.

Однако одно лишь изучение генеалогии не позволяет обнаружить дефект ДНК. Для выявления причины нарушения требуется взять немного клеток у всех членов семьи (обычно для этого берут мазок внутренней стороны щеки) и сравнить ДНК из клеток тех, кто встает рано, и тех, кто встает как все. Если генетическое различие между двумя группами людей существует, оно где-то в последовательности ДНК.

Сравнительный анализ ДНК выявил конкретную замену в конкретном гене. Гены и белки имеют характерные последовательности. Если известна последовательность и структура гена или белка, довольно легко найти его в других клетках. Именно так была обнаружена связь между ДНК рано просыпающихся людей, ДНК хомячков Мартина Ральфа и генами спозаранку вылуплявшихся дрозофил Конопки и Бензера. У каждого вида свои особенности белковых взаимодействий внутри часового механизма, но основные гены и принципы действия молекулярного маятника внутренних часов одни и те же. Мух, хомячков и людей объединяют общие детали внутреннего часового механизма, общие гены, общая история.

Общность часового механизма не только указывает на нашу связь с другими видами, но и позволяет выявить фундаментальные принципы устройства клеток человеческого тела. Внутри всех клеток (от клеток мозга, найденных Рихтером, до клеток печени или клеток кожи на кончике пальца) присутствует один и тот же генетический часовой механизм. Если вы страдаете нарушением сна, имеющим генетическую природу, врач может поставить диагноз по клеткам кожи, капле крови или мазку с внутренней стороны щеки. Каждая клетка существует в соответствии с суточным ритмом, отбиваемым молекулярными «часами» — столь же древними, как сами животные.

Как устанавливается ритм молекулярных «часов» в наших клетках, как они подстраиваются к смене дня и ночи? Дорожный будильник, который мы берем в путешествие, работает двадцать четыре часа в сутки, но он не способен самостоятельно определить, в какой часовой зоне находится, и ему требуется помощь. Так почему мы, люди, ощущаем изменение суточного ритма? Что подняло меня на ноги в два часа ночи тем летом в Арктике?

Наши внутренние часы связаны с внешним миром посредством нескольких «сигнальных систем», важнейшей из которых является восприятие света. Большая доля света, проникающего в глаз, передается в виде сигнала в определенные отделы головного мозга, интерпретирующие зрительную информацию. Однако некоторые сигналы поступают в другие отделы мозга, в частности, к клеткам, обнаруженным Рихтером. Отсюда сигнал передается к шишковидной железе размером с горошину, расположенной в основании головного мозга. Некоторые (в том числе великий французский философ Рене Декарт) считали шишковидную железу вместилищем души. У некоторых видов ящериц и рыб эта железа образует что-то вроде третьего глаза и непосредственно воспринимает световую информацию. А у человека это своеобразный коммуникационный узел, собирающий информацию. Выделяемый шишковидной железой мелатонин запускает реакции во всех отделах нашего тела.

Эта цепочка реакций подстраивает наше тело к смене дня и ночи. Именно этот путь настраивает внутренние часы так, что свет для нас означает день, а темнота — ночь. Когда мы попадаем в другую часовую зону, сигнальный путь настраивает организм на новый световой режим.

Что происходит, когда яркий солнечный свет попадает в глаза в середине дня? Обычно ничего, кроме обыкновенной настройки зрительного аппарата. Но если яркий солнечный свет попадает в глаза в сумерки, это может нарушить сон. Люди, работающие в сумерки при ярком свете, обычно устают позже, чем обычно. Верно и обратное: яркий солнечный свет на рассвете заставляет людей просыпаться и засыпать раньше обычного. Наш цикл сна и бодрствования изменяется, если мы находимся при свете тогда, когда наш мозг настроен на темноту. Современные люди находятся под воздействием искусственного освещения в любое время суток, и наши внутренние часы перестраиваются всякий раз, когда мы среди ночи читаем или разбираем электронную почту. Ритм современной жизни не совпадает с древними биологическими ритмами.

Наше здоровье в значительной степени связано с биологическими часами. Люди, работающие по ночам и спящие днем, больше подвержены сердечно-сосудистым заболеваниям и некоторым видам рака, в частности раку молочной железы. Ученые, работающие с мышами, установили, что механизм коррекции ошибок в ДНК клеток кожи мышей работает по часам и наиболее активен вечером. В ДНК, скопированной утром, содержится больше всего ошибок. Ультрафиолетовое излучение нарушает процесс копирования ДНК и способствует возникновению рака кожи. Таким образом, для мышей солнечные ванны по утрам опаснее вечерних. У людей тоже есть такие часы, но они настроены противоположным образом: наш аппарат коррекции ошибок в ДНК активнее всего утром. Таким образом, загорать утром менее опасно, чем вечером. Наш метаболизм тоже подчиняется биологическим часам. Известно даже, что склонность к ожирению может коррелировать с недостатком сна.

Функционирование организма подчиняется суточному ритму.

Учитывая связь функционирования ДНК и деления клеток с биологическими часами, не приходится удивляться, что некоторые лекарства эффективнее в определенное время суток — это обусловлено уровнем интенсивности света, воспринимаемого мозгом. Таким образом, на нашу предрасположенность к заболеваниям, как и на лечение, влияет катаклизм, произошедший на нашей планете более четырех с половиной миллиардов лет назад.

На кладбищах в южной части штата Индиана можно найти могилы европейцев, осваивавших эту территорию в конце XVIII века. То были смелые люди, о чьей непростой жизни повествуют надгробные плиты. Немногие преодолевали сорокалетний рубеж, и если судить по датам на памятниках, долгое время кладбища были весьма посещаемым местом. Природа распорядилась так, что для надгробных плит поселенцы нашли практически идеальный материал. Надписи, выбитые в начале XIX века на мелкозернистом, твердом камне, выглядят так, будто их выполнили вчера.

В могильных камнях отразилось изменение ритма приливов и отливов.

Мы привыкли изучать надписи на могильных плитах и практически не обращаем внимания на сами плиты, а ведь они тоже могут рассказать много интересного. Надгробные плиты на могилах первых европейских поселенцев Индианы имеют неровные боковые поверхности. Материал был добыт в карьере близ города Хиндостан. В этом месте можно увидеть, как формировались горные породы. Земля вращается вокруг своей оси, а Луна вращается вокруг Земли, и уровень воды то поднимается, то опускается. Сотни миллионов лет назад эта часть Индианы лежала на дне. Год за годом приливы и отливы образовывали слои отложений, и по следам на камнях можно проследить их годовую амплитуду. На краях могильных плит запечатлен ритм приливов и отливов, происходивших в те времена, когда Земля вращалась быстрее, а дни были короче, чем теперь. И люди, и планета оставили отметки на камнях. Так что и тела покойных, и камни на их могилах имеют общую историю, связанную с вращением и соударением небесных тел.