Чем выше температура, тем быстрее протекают физиологические процессы. Но есть исключение: так называемые циркадные часы, которые регулируют цикл сна-бодрствования в организме. Интересный вопрос для ученых заключается в том, почему внутренние часы идут почти без изменений, несмотря на колебания температуры. Это явление известно как температурная компенсация. Исследования показывают, что этому способствуют различные молекулярные механизмы.
Группа биологов во главе с профессором Ральфом Станевски из Университета Мюнстера (Германия) и в сотрудничестве с группами из Университета Далхаузи в Канаде и Университета Майнца в Германии нашли важный элемент головоломки, дающий ответ на этот вопрос. Результаты их работы были опубликованы в журнале Current Biology .
Команда обнаружила точечную мутацию у плодовой мушки Drosophila melanogaster, которая приводит к зависимому от температуры удлинению циркадных периодов. Он расположен в центральном «гене часов», известном как « период » (per). У мух с этой мутацией perI530A нормальный ритм сна-бодрствования составляет 24 часа при 18 градусах Цельсия. Напротив, при 29 градусах Цельсия внутренние часы идут примерно на пять часов медленнее, т.е. они длятся 29 часов. Это удлинение периода также влияет на экспрессию, другими словами, на активность гена периода в часовых нейронах мозга.
Обычно рассматриваемый белок (ПЕРИОД) постепенно химически изменяется в течение 24 часов, в частности, он фосфорилируется. После максимального фосфорилирования он деградирует. И здесь этот процесс обычно одинаков при температуре от 18 до 29 градусов по Цельсию, при которой плодовые мушки активны. Как показали исследователи, фосфорилирование нормально происходит у мутанта perI530A при 18 градусах Цельсия, но снижается при повышении температуры. Это приводит к стабилизации белка «PERIOD» при более высоких температурах.
Мутация, изученная группой, влияет на так называемый сигнал ядерного экспорта (NES), который также встречается в этой форме в генах Period у млекопитающих и играет роль в транспортировке белков PERIOD из ядра клетки. Никакая биологическая функция этого экспорта из клеточного ядра ранее не была известна. Текущее исследование показывает, что мутация приводит к длительному удержанию белка PERIOD в клеточном ядре центральных часовых нейронов — и опять же, только при более высоких температурах. «Поэтому мы предполагаем, — говорит Ральф Станевски, — что экспорт белка из клеточного ядра играет важную роль в температурной компенсации — по крайней мере, в том, что касается плодовой мушки».
В своих исследованиях ученые использовали мутантов плодовых мушек с модификацией гена period (perI530A), полученных ими с помощью современных методов молекулярной генетики (мутагенез CRISPR/Cas9 и гомологичная рекомбинация). Затем этих животных проверили, чтобы увидеть, различается ли их цикл сна-бодрствования и, как следствие, их беговая активность в зависимости от температуры окружающей среды .
Используя различные методы, исследователи визуализировали гены часов и их активность в нейронах головного мозга. Одной из вещей, которые они использовали, был новый метод под названием локально активируемая биолюминесценция (LABL), который команда Мюнстера разработала в сотрудничестве с исследователями из Канады. Этот метод, включающий биолюминесценцию, позволяет измерять у живых мух ритмическую экспрессию генов в часовых нейронах, которые составляют лишь часть всех нейронов головного мозга.
