Как работают биологические часы

Сеймур Бензер засиживался за работой до глубокой ночи. Когда он возвращался домой из лаборатории, его жена уже крепко спала. Зато наутро доктор Бензер едва мог разлепить глаза раньше полудня, что определенно создавало неудобства в семейной жизни.

Сеймур Бензер вначале прославился как физик — сделал важные открытия в теории полупроводников, — а потом с тем же энтузиазмом ринулся в едва зародившуюся область науки, молекулярную генетику. Именно он придумал, как с помощью самых несложных опытов, просто подсчитывая пятнышки на чашках Петри, можно понять структуру гена. Разработанный им метод позже позволил установить, что генетический код имеет триплетную структуру, то есть одной букве белкового алфавита аминокислот соответствуют три буквы — азотистые основания — в коде ДНК.

Как бы то ни было, к 1960-м годам Бензер счел, что в этой области он сделал все, что было ему интересно, и решился на новый крутой поворот в карьере: занялся генетикой поведения. В наши дни эта тема буквально балансирует на грани политкорректности. Если поведение определяется генами, значит, за сварливость или распущенность невозможно кого-то осуждать. А ведь так хочется! Но в 1960-х от генетики еще не ждали бесцеремонного вторжения в сферу этики, по крайней мере в ближайшей перспективе. К тому же Бензер изучал генетику поведения не на людях, а на плодовых мушках.

В те годы логика генетического исследования выглядела не совсем так, как сегодня, когда геномы живых и вымерших организмов расшифровываются каждую неделю. Все начиналось с мутантов: чтобы исследовать какое-то свойство живого, надо было найти существ, у которых это свойство нарушено. Собственно, вот по таким парам признаков — «у этого так, а у того вот этак», как белые и красные цветы гороха у Менделя, — и получали тогда всю информацию о генах. И вот аспиранты Бензера принялись изучать повседневную жизнь дрозофил и отбирать мух, которые делали что-то не так. Например, не летели на свет, не вытягивали хоботок навстречу еде или неправильно приударяли друг за другом.

Тут-то один из аспирантов, по имени Рональд Конопка, предложил доктору Бензеру интересную тему: а что, если поискать мутации, то есть гены, мух, влияющие на их суточные ритмы? Маститый ученый просто не мог ответить отказом, поскольку как раз из-за этих самых суточных ритмов страдала его личная жизнь. И Конопка взялся за работу.

Непунктуальные мухи

Новорожденные мухи, как правило, вылупляются из окуклившихся личинок ранним утром, даже в лаборатории, где их никогда не освещают розовые лучи рассвета. А Рональд Конопка отбирал мух, которые вылуплялись раньше или позже. Затем он начал скрещивать таких мух между собой, чтобы получить чистые линии. В итоге Конопка получил целый букет мутантов, и у всех была проблема с пунктуальностью.

Обычно личинка вылупляется из яйца через 24 часа после откладки, а потом два раза линяет с интервалом в сутки. А у мутантов вместо 24 часов этот промежуток составлял 19 или целых 28 часов. Как оказалось, все они имели мутацию в одном и том же гене. (Как в этом убедиться? Надо взять двух мутантов и позволить им завести детей. Если родительские мутации в разных генах, то среди потомства кто-то унаследует здоровые гены от папы и мамы и вырастет в нормальную муху, а если ген один и тот же, то сколько ни перемешивай хромосомы родителей, толку не будет.) Ген назвали period, а кодируемый им белок, как это принято, PER. Было это в 1971 году.

Примерно в это же время начали стремительно развиваться методы молекулярной биологии, пока, наконец, в 1984 году сразу две группы ученых, в том числе Майкл Розбаш и Джеффри Холл из Массачусетса и Майкл Янг из Нью-Йорка, не выделили ген period в чистом виде. Такая очистка гена, чтобы его можно было рассмотреть и проанализировать, называется клонированием (хотя никакого отношения к атаке клонов не имеет), а использованный метод — комплементацией: в мутантное яйцо добавляют разные фрагменты ДНК здоровой мухи и смотрят, какой кусочек ДНК «вылечивает» мутацию, то есть в нашем случае восстанавливает нормальный 24-часовой ритм.

Вскоре Майкл Янг открыл еще один ген, влияющий на суточный ритм, и назвал его timeless (зашифрованный в нем белок называется TIM). Затем добавились и еще два «героя»: гены cycle и clock. А потом с помощью технологий, которые Сеймур Бензер в 1960-х вряд ли мог вообразить, ученым удалось обрисовать общие контуры устройства биологических часов.

Главные детали этих часов — белки, кодируемые вышеупомянутыми генами, в особенности TIM и PER. Есть мнение, что именно трехбуквенные латинские обозначения всяких белков и генов делают статьи о молекулярной биологии такими невыносимо скучными, так что постараемся дальше ими не злоупотреблять, даже если придется пожертвовать научной точностью. В общих чертах все работает так: находящийся в ядре ген включается, с него считывается РНК, затем она отправляется в цитоплазму, где по ее инструкции делается соответствующий белок. Два белка объединяются вместе и в таком виде отправляются обратно в ядро. А там они — вот ведь неблагодарность! — выключают свои собственные гены.

В результате РНК становится все меньше, она не попадает в цитоплазму, новые копии белков не производятся, а те, что уже попали в ядро, постепенно разрушаются. Наконец, их становится так мало, что гены запускаются снова. И это значит, что день начал клониться к вечеру: скорость всех процессов подобрана так точно, что весь цикл (его называют циклом timeless) занимает ровно 24 часа. Если же один из белков испорчен (например, если в его гене появилась мутация), то гармония природы нарушается, и цикл становится короче или длиннее, чем нужно. Именно таких мутантов и нашел Рональд Конопка.

Имеет ли все это отношение к неполадкам в семейной жизни Сеймура Бензера? Механизм суточного цикла у человека устроен не совсем так, как у плодовой мухи, но работает по такому же принципу. Сеймур Бензер — в прошлом месяце мир отмечал его столетний юбилей — скончался в 2007-м, а в 2017 году было выяснено, что мутация в человеческом аналоге гена period вызывает «семейный синдром позднего засыпания»: страдающие им пациенты не могут заснуть допоздна, а по утрам с трудом просыпаются. Был ли он у Бензера, неизвестно, да уже и неважно: видимо, проблемы сов и жаворонков могут быть вызваны самыми разными причинами, в том числе и негенетическими. Однако открытие цикла timeless, отмеченное в 2017-м Нобелевской премией, дает надежду, что рано или поздно и совы, и жаворонки сами станут хозяевами своих суточных ритмов.

Диалектика света и тьмы

А откуда вообще взялся 24-часовой цикл timeless? Если отбросить гипотезу о том, что все живое на Земле создано сверхразумной галактической цивилизацией себе на забаву, остается признать, что он возник в процессе эволюции как приспособление к условиям среды. В данном случае такое «условие среды» — вращение нашей планеты с периодом ровно 24 часа. Было бы очень глупо, если бы, возникнув полмиллиарда лет назад, суточный цикл не имел встроенного механизма тонкой подстройки к смене дня и ночи, происходящей в реальном времени. И такой механизм, разумеется, существует — это реакция на свет.

Возможно, со света нам и надо было начинать эту статью. И почти наверняка именно с него начала природа. Посмотрим, к примеру, на морского червяка-нереиду из рода Platynereis. Это существо и само по себе незатейливо, а уж личинка его и подавно не блещет сложностью внутреннего мира. Все, что она умеет, — это ночью подниматься к поверхности воды, где больше вкусного планктона, а днем опускаться чуть глубже, подальше от тех, кто считает вкусной саму личинку. Всплывает она за счет движения ресничек, покрывающих ее тело, а тонет, когда реснички замирают. Откуда же реснички знают, когда им замереть?

Оказывается, ночью, когда личинка плавает у темной поверхности воды, в ней синтезируется гормон под названием «мелатонин». К утру мелатонина становится очень много, и нейроны личинки реагируют на него: командуют ресничкам замереть. Личинка погружается, а тем временем настает день, солнечные лучи пронзают воду, и под действием света мелатонин разлагается. Как раз к вечеру его становится совсем мало, нейроны перестают подавлять реснички своим авторитетом, и те вновь приходят в движение: будущий червяк всплывает.

Любопытно, что даже это незатейливое существо может познать ужасы джетлага, так знакомые нам, людям: если в лаборатории изменить график освещения и включать свет ночью, личинки не сразу переходят на новый режим, а еще некоторое время следуют старому 24-часовому ритму. Это значит, что цикл timeless (или что-то очень похожее) есть даже у этих примитивных организмов.

За реакцию на свет у самых разных существ, от морских червей до мух и далее до человека, отвечают белки-опсины. Некоторые из них животным удалось приспособить для зрения, однако очевидно, что самая древняя и почетная функция опсинов — как раз следить за сменой дня и ночи. Возьмем, к примеру, мимозу: она складывает листья с наступлением темноты (хотя тоже способна поддерживать прежние суточные ритмы даже при постоянном освещении). Понятно, что мимозе смотреть не на что и незачем, и время суток — единственное, что ее интересует. Кстати, именно с мимозы началось в XVIII веке изучение биологических часов, и с нее начинается девять из десяти статей на эту тему. Мы начали с Сеймура Бензера только потому, что у него, как нам кажется, все-таки больше заслуг перед наукой.

Опсин, отвечающий за суточный ритм, есть и у человека — он называется «меланопсин», в отличие от зрительных родопсинов. Видимо, это распределение профессий среди опсинов произошло в эволюции под действием случайных причин. К примеру, зрительный опсин у мух и многих беспозвоночных больше похож на меланопсин позвоночных, чем на наши классические родопсины. Это навело Детлева Арендта из Европейской молекулярно-биологической лаборатории на интересную мысль.

Дело в том, что профессора Арендта очень интересует вопрос об общем предке всех двусторонне-симметричных животных (так называемых билатерий). Очень рано потомки этого предка разделились на две большие ветви: к одной вместе с большинством беспозвоночных относятся, к примеру, мухи, к другой — мы с вами. Некоторые биологи думают, что этот общий предок был очень простым, однако профессор Арендт полагает, что он был похож на червей-нереид, о личинках которых шла речь выше. Если это так, именно у этих первобытных червей и происходило первичное распределение ролей между двумя группами опсинов. Сотрудники Арендта занялись нереидами, и черви не разочаровали профессора: оказалось, что светочувствительный белок, с помощью которого личинка узнает, когда наступило время синтезировать мелатонин, очень похож на родопсин позвоночных!

Как бы ни решился вопрос об общем предке билатерий, ясно, что механизмы биологических часов — наследие очень древних эпох (те же нереиды, к примеру, возникли не позже начала палеозойской эры). Однако то, что хорошо работает у полупрозрачного червя, не всегда хорошо для человека. Посмотрим, как природа усовершенствовала этот прибор.

Хозяин часового магазина

Здесь придется ответить на вопрос, который любознательный читатель наверняка уже задал: а где именно, в каком органе тела, происходит весь этот эффектный танец, который исполняют гены суточных ритмов и их белки? Для личинки, возможно, этот вопрос не так уж важен: она прозрачная, и в каждой ее клетке биологические часы могут сами отреагировать на утренние лучи солнца и установить точное время. Плодовая мушка тоже отбрасывает не слишком густую тень, и цикл timeless у нее также можно «подводить» напрямую светом. Но вот внутри человека (а также тираннозавра, капибары и даже обычной лягушки) царит непроглядный мрак. При этом гены суточных ритмов работают у нас в самых разных клетках, к примеру в печени. А в эритроцитах, как недавно выяснилось, есть свои биологические часы, работающие совершенно по другому принципу. Как выразился нейробиолог профессор Карлос Ибаньес, «организм животного похож не на отдельно взятые ходики, а на часовой магазин». Однако понятно, что все это хозяйство надо синхронизировать: если рано поутру ваш мочевой пузырь проснется, а мозг будет нежиться в сладком забытьи, не миновать беды.

Тут-то и появляются на сцене Самые Главные Часы. Находятся они, что неудивительно, в нейронах головного мозга, точнее в гипоталамусе. Именно там непрерывно качающийся маятник генов и белков задает ритм не только для внутриклеточных процессов, но и для всего тела. Увы, у человека слишком много нейронов, так что пока никому не удалось изучить этот механизм на уровне отдельной клетки. Зато несколько лет назад профессор Джастин Блау из Кембриджа разобрался, как это работает у личинки той же самой плодовой мушки.

Эта недалекая личинка вообще не так уж богата нейронами, так что за суточные ритмы у нее отвечают всего шесть клеток. Джастин Блау выделил среди нейронов две группы, которые он назвал рассветными и закатными. Утром рассветные клетки сообщают друг другу, а затем и закатным клеткам, что пора вставать. Вечером все происходит наоборот. При каждом обмене сигналами внутренние часы этих клеток синхронизируются, учитывая при этом сигналы от светочувствительных белков. А затем эта дружная группа нейронов отдает остальному организму приказ: сверить часы.

У человека «часовые» нейроны гипоталамуса получают сигналы от особой группы клеток сетчатки глаза, содержащих меланопсин. Установив по такому сигналу точное время, эти нейроны передают сигнал в другую область мозга — шишковидную железу, где синтезируется гормон мелатонин. Вот сюрприз: этот мелатонин совершенно неотличим от одноименного гормона у личинок морских червей, да и вообще одинаков для всего животного царства. И уже с мелатонином разносится по кровяному руслу новость о смене дня и ночи для всех остальных клеток тела, которые имеют возможность, и даже обязанность, подвести свои часы в соответствии с этой полученной информацией.

Наша шишковидная железа лежит в самой темной и мрачной глубине мозга. А вот у лягушек все проще. У них есть «третий глаз» — светочувствительное пятнышко в середине головы. На самом деле это та же самая шишковидная железа, но благодаря своему расположению она может реагировать на свет напрямую. В ходе эволюции от амфибии до человека эта схема немного усложнилась: у нас появились специализированные ганглиозные клетки сетчатки.

Итак, эволюция дала нам довольно замысловатый прибор для измерения времени. Увы, эта эволюция уже не успевает за сложностями нашей жизни. С нами, людьми, чего только в жизни не случается: и ночные смены, и неожиданная потребность проспать все воскресенье, и авиаперелеты из Москвы в вечерний Нью-Йорк, где вы будете до утра слоняться по гостиничному номеру и страдать от бессонницы, вызванной упрямым качанием маятника генов и белков в нейронах гипоталамуса. Можно ли научиться самим управлять этим прибором?

Возможно, мы первые в длинной эволюционной цепочке, кому удастся переупрямить свои гены timeless и period. Самый простой способ доступен уже сейчас: пойти в аптеку, купить там мелатонин в таблетках и дать телу команду на засыпание в обход гипоталамуса и шишковидной железы. Конечно, такой способ воздействия на тончайший молекулярный механизм больше похож на починку компьютера с помощью гвоздодера. Однако теперь, когда механизм биологических часов стал понятен ученым — благодаря работам Сеймура Бензера, нобелевских лауреатов Холла, Янга и Розбаша, а также многих других исследователей, — можно надеяться, что фармакологи и медики примут эстафету и разработают эффективные средства, позволяющие спать тогда и только тогда, когда мы действительно этого хотим. Примерно об этом, возможно, мечтал в конце 1960-х одержимый бессонницей Сеймур Бензер. С другой стороны, можно допустить, что сидеть ночами в лаборатории ему было действительно интересно. Не каждому ведь выпадает удача оказаться у истоков такого увлекательного научного приключения.