Биочасы удерживают 24-часовой цикл, изменяя работу генов в условиях тепла

Исследователи под руководством Гэна Куросавы из Центра междисциплинарных теоретических и математических наук RIKEN (iTHEMS) в Японии с помощью теоретической физики выяснили, как наши биологические часы сохраняют стабильный 24-часовой цикл, даже когда меняется температура.

Они обнаружили, что эта стабильность достигается за счет тонкого смещения «формы» ритмов активности генов при более высоких температурах — процесса, известного как искажение формы волны (waveform distortion). Этот процесс не только помогает сохранять точное время, но и влияет на то, насколько хорошо наши внутренние часы синхронизируются с циклом дня и ночи. Исследование опубликовано в журнале PLOS Computational Biology.

Вы когда-нибудь задумывались, как ваше тело знает, когда пора спать или просыпаться? Ответ прост: у вашего организма есть биологические часы, работающие примерно по 24‑часовому циклу. Но поскольку большинство химических реакций ускоряются при повышении температуры, до сих пор оставалось загадкой, как организм компенсирует температурные изменения в течение года — или даже когда мы перемещаемся между летней жарой на улице и прохладой кондиционированных помещений.

Биологические часы работают благодаря циклическим колебаниям уровней мРНК — молекул, кодирующих производство белков, — которые возникают, когда определенные гены ритмично включаются и выключаются. Так же, как движение маятника можно описать математической синусоидой, плавно поднимающейся и опускающейся, ритм производства и убыли мРНК можно представить в виде колебательной волны.

Команда Куросавы из RIKEN iTHEMS совместно с коллегами из YITP Киотского университета применила методы теоретической физики для анализа математических моделей, описывающих эти ритмичные колебания мРНК. В частности, они использовали метод ренормализационной группы — мощный инструмент из физики, позволяющий извлечь ключевые медленно меняющиеся динамические процессы из системы ритмов мРНК.

Анализ показал: при повышении температуры уровни мРНК растут быстрее и спадают медленнее, однако продолжительность одного цикла остается постоянной. На графике этот ритм при высокой температуре выглядит как искаженная, асимметричная волна.

Чтобы проверить теоретические выводы на живых организмах, исследователи проанализировали экспериментальные данные о мушках-дрозофилах и мышах. И действительно, при повышенных температурах у этих животных наблюдались предсказанные искажения формы волны, что подтвердило правильность теоретической модели.

Учёные заключают, что искажение формы волны — ключ к температурной компенсации в биологических часах, особенно к замедлению спада уровней мРНК в каждом цикле.

Команда также обнаружила, что искажение формы волны влияет на способность биологических часов синхронизироваться с внешними сигналами, такими как свет и тьма. Анализ показал: при большем искажении форма волны делает часы более стабильными, и внешние сигналы меньше на них влияют.

Этот теоретический вывод совпал с экспериментальными наблюдениями у мух и грибов и важен, так как нерегулярные циклы «свет‑тьма» стали частью современной жизни большинства людей.

«Наши результаты показывают, что искажение формы волны — важнейший элемент того, как биологические часы остаются точными и синхронизированными, даже при изменении температуры», — говорит Куросава.

Он добавляет, что будущие исследования могут быть направлены на выявление молекулярных механизмов, замедляющих спад уровней мРНК и приводящих к искажению формы волны. Ученые также надеются изучить, как это искажение различается между видами или даже отдельными людьми, ведь возраст и индивидуальные особенности могут влиять на работу биологических часов.

«В долгосрочной перспективе, — отмечает Куросава, — степень искажения формы волны в генах часов может стать биомаркером, помогающим лучше понять нарушения сна, смену часовых поясов и влияние старения на внутренние часы. Она также может раскрыть универсальные закономерности ритмов — не только в биологии, но и в любых системах с повторяющимися циклами».