Прообраз биологических часов

Опубликовано Май 29, 2012 в Новости

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: 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.

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, а также периодичность питания. 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.

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 и в морских водорослях переходит из окисленной формы в восстановленную с периодом около 24 часов.

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.

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.

Источник: http://biomolecula.ru/content/1061