В 2017 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена трем ученым, которые раскрыли молекулярные механизмы, контролирующие циркадный ритм, также известный как цикл «бодрствование-сон». Для выполнения своей работы ученые использовали плодовую муху обыкновенную Drosophila melanogaster что сделало ее шестой Нобелевской премией за исследования, связанные с ней.

Плодовые мухи

Биологи используют Drosophila уже более века. Впервые предложенный энтомологом Чарльзом В. Вудвортом в качестве модельного организма, его использование в исследованиях было впервые предложено генетиком Томасом Х. Морганом, который в начале 1900-х годов руководил своей знаменитой комнатой для мух в Колумбийском университете.

У этого скромного насекомого около 60% ДНК человека, оно стало стержнем бесчисленных научных открытий, от генетической наследственности и генных мутаций до нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

Циркадные ритмы

Drosophila также широко использовалась при изучении циркадного ритма, процесса, присущего практически всем живым организмам, включая животных, растения и даже микробы. Помимо сна и бодрствования, он влияет на многие аспекты нашего тела, включая выработку гормонов, питание и пищеварение, а также температуру тела.

Фактически, изучение циркадных ритмов переросло в отдельную область: хронобиологию. А учитывая, что циркадный ритм человека, кажется, диктует, когда нужно принимать определенные лекарства, чтобы максимизировать их действие, недавно появилась новая отрасль медицины: хронофармакология.

Генные ритмы

Теперь ученые под руководством Марии Литовченко и Барта Депланке из Школы естественных наук EPFL провели обширное исследование, используя Drosophila чтобы изучить, как различные гены в различных тканях животного регулируются таким образом, чтобы они " знать, «когда включать и выключать в течение дня, то есть в зависимости от циркадных часов.

Мы хотели оценить, как эти молекулярные ритмы меняются в естественной популяции плодовой мухи и как на них влияют геномные вариации ».

Барт Депланке, Школа естественных наук EPFL

Исследование опубликовано в Science Advances .

Ученые обратились к ресурсу по мухам под названием Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP), который содержит более 200 генетически различных линий насекомых. Геном каждой линии был полностью секвенирован, чтобы ученые могли определять различия между генотипами, а затем связывать их с различиями между фенотипами, тем самым связывая гены с их функциями.

Из DGRP ученые взяли образцы более 700 тканеспецифичных «транскриптомов». В организме, ткани или просто клетке гены расшифровываются или «транскрибируются» в мРНК, которая затем используется для создания белка. Итак, транскриптом – это, по сути, набор всех транскриптов РНК из ДНК организма, кодирующих или некодирующих.

В этом исследовании ученые использовали мРНК из эталонной, «контрольной» линии мух, а затем взяли образцы мРНК из 141 отдельной линии DGRP с высоким разрешением – примерно с девятиминутными интервалами между каждой линией. Идея заключалась в том, чтобы увидеть, как транскрипты генов меняются с течением времени в разных линиях, и понять, как генетический фон дрозофилы и циркадный ритм вместе влияют на экспрессию разных генов в разных тканях.

«Это позволило нам создать первый тканеспецифический эталонный временной ряд экспрессии циркадных генов в Drosophila ; всеобъемлющий атлас экспрессии циркадных генов», – говорит Литовченко. «Но это также позволило нам получить беспрецедентное представление о масштабах и геномной природе вариабельности экспрессии циркадных генов с использованием новаторского подхода, который позволил реконструировать динамические циклические модели из статически собранных образцов»

.

Исследование выявило три основных момента, касающихся циркадного ритма.

Безраздельно правят часы

Во-первых, ученые обнаружили более 1700 генов, циклы экспрессии которых находятся под контролем циркадных часов, при этом только четырнадцать из этих генов одинаковы во всех тканях плодовой мушки.

«По крайней мере, двое из этих четырнадцати до сих пор не охарактеризованы и существенно влияют на несколько параметров ритмов двигательной активности», – говорит Литовченко, имея в виду поведенческие паттерны плодовой мухи, которые зависят от ее циркадных часов. «Поскольку эти гены имеют ортологи (похожие гены) у мышей, павианов и людей, наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что они являются новыми, основными регуляторами часов и у млекопитающих», – добавляет она.

Добрый человек или сова?

Во-вторых, у каждого человека может быть свой собственный циркадный ритм, который может объяснять широкий спектр человеческих форм поведения, таких как утренние люди, пижамы, вечерние люди, полуночники и т. Д. Исследователи использовали ультрасовременный статистический подход для определения естественного циркадного ритма для каждой ткани в каждом транскриптоме плодовой мушки DGRP.

Они обнаружили, что физиологические часы примерно в трети линий Drosophila значительно отклоняются от «естественного» времени более чем на три часа. И большинство линий показали вариации циркадной экспрессии только в одной или двух тканях.

«Люди тоже могут подвергаться столь обширным изменениям», – говорит Депланке. «Кажется, существует обильная естественная циркадная асинхронность в молекулярных циркадных ритмах между различными тканями, которая, насколько нам известно, ранее не наблюдалась и которая может иметь всевозможные физиологические последствия для метаболических паттернов, пищеварительных колебаний и т. Д.»

Свет, тьма и мутация

Наконец, небольшая генетическая мутация может нарушить «фотоэнтренинг» человека, который относится к выравниванию циркадного ритма с образцом света и тьмы в окружающей среде.

Сосредоточившись на линии Drosophila с наивысшим невыровненным циркадным ритмом (более 10 часов), исследователи обнаружили, что она содержит новую делецию потери функции в Drosophila ] ген " cry ", регулируемый часами и светом (для " криптохрома ").

«Эта небольшая делеция нарушает управляемое светом фотовосстановление кофактора FAD», – говорит Депланке. «Это подтверждает in vivo важность эволюционно законсервированного механизма фотоувлечения в циркадном кардиостимуляторе».

От мухи к человеку

Исследование также подтвердило, что Drosophila является отличной моделью для изучения циркадного ритма у людей, поскольку оно выявило несколько новых генов основных часов, общих для двух видов. «Мы получили уникальное представление о том, в какой степени циркадные часы изменяются на молекулярном уровне не только между людьми, но даже между тканями одного и того же человека», – говорит Депланке

.

«Очевидно, что мы никогда не сможем достичь такого понимания на людях, поскольку мы не можем брать образцы человеческих тканей за 24 часа», – добавляет он. «Но мы узнали, что эта вариация очень обширна. Учитывая возрастающее значение хронофармакологии, может быть полезно сделать вывод о врожденном циркадном цикле людей, прежде чем начинать важные лекарственные препараты»

.

Source link