Генетичний механізм: як працюють наші внутрішні годинники

Про внутрішніх годинниках чули всі, але мало хто знає про те, як вони влаштовані. Дві групи учених із США провели масштабні дослідження, щоб розібратися в тому, як працюють наші годинник і який їх вплив на організм.
Протягом всього дня ми прислухаємося до «цокання годинника всередині нашого тіла. Саме вона будить нас уранці і змушує відчувати сонливість вночі. Саме воно піднімає і опускає температуру нашого тіла в потрібний момент, регулює вироблення інсуліну і інших гормонів.
Внутрішній годинник організму, то саме цокання, яке ми відчуваємо, ще називають циркадными ритмами.
Ці ритми впливають навіть на наші думки і почуття. Психологи вивчають їх вплив на мозок людини, змушуючи волонтерів проходитимуть когнітивні тести в різний час дня.
З’ясувалося, що ранок — це найкращий час для того, щоб виконувати задачі, що вимагають від мозку багатозадачності. Якщо вам необхідно утримувати відразу кілька пластів інформації в голові і обробляти ці дані оперативно, варто приступати до роботи на початку дня. А ось друга половина доби добре підходить для обробки простих і зрозумілих завдань.
Циркадні ритми мають величезний вплив і на тих, хто страждає від депресії або біполярного розладу. Люди з такими проблемами погано сплять і відчувають бажання випити протягом дня. Деякі пацієнти з недоумством відчувають особливий «ефект заходу»: в кінці дня стають агресивними або губляться в просторі і часі.
— Сон і цикли активності є найважливішою частиною психічних захворювань, — розповідає Лиха Акіл (Huda Akil), нейробіолог з Мічиганського університету. Тому неврологи з усіх сил намагаються зрозуміти, як працюють наші внутрішні годинник і який вплив вони чинять на наш мозок. Але дослідники не можуть просто відкрити черепну коробку і цілодобово спостерігати за роботою клітин.
Кілька років тому Каліфорнійський університет пожертвував для досліджень мізки, які дбайливо зберігалися після смерті донорів. Деякі з них померли рано вранці, інші — у другій половині дня або вночі. Доктор Акіл та її колеги вирішили вивчити, чи відрізняється один мозок від іншого і залежить різниця від того, в який момент помер донор.
— Може, наша здогадка здасться вам простий, але чомусь ніхто не думав про це раніше, — говорить доктор Акіл.
Neil Conway/Flickr.com
Вона і її колеги вибрали примірники мозку, отримані від 55 здорових людей, причиною смерті яких стало раптове пригода, наприклад, автомобільна аварія. З кожного мозку дослідники взяли зразки тканини тих часток, які відповідають за навчання, пам’ять і емоції.
У момент смерті донорів гени, що знаходяться в клітинах мозку, активно кодували білок. Завдяки тому, що мозок був швидко збережений, вчені мають можливість оцінити активність генів в хвилину смерті.
Більшість генів, перевірених дослідниками, не показали ніякої закономірності в роботі протягом дня. Однак понад 1 000 генів демонструють добовий цикл активності. Мозок же тих людей, які загинули в один і той же час дня, показав однакову роботу генів.
Моделі активності були практично ідентичними, причому настільки, що їх можна було використовувати в якості тимчасової мітки. Визначити, в який момент загинула людина, можна було майже безпомилково, завдяки вимірювання активності цих генів.
Тоді дослідники перевірили мізки тих донорів, які страждали від клінічної депресії. Тут тимчасова мітка була не просто збита: здавалося, що ці пацієнти жили то в Німеччині, то в Японії, але ніяк не в США.
Результати виконаної роботи були опубліковані в 2013 році. Дослідники з Піттсбурзького університету надихнулися ними і постаралися відтворити експеримент.
«Ми не могли раніше і подумати про подібному дослідженні», — розповідає невролог Колін Мак-Кланг (Colleen McClung). Доктор Мак-Кланг і її колеги змогли перевірити 146 екземплярів мозку, отриманих завдяки донорської програмі університету. Результати експерименту були опубліковані зовсім недавно.
Але команді доктора Мак-Кланг вдалося не тільки повторити результати попереднього експерименту, але й отримати нові дані. Вони порівняли зразки активності генів в мозку молодих і старих людей і знайшли інтригуюче відмінність.
Вчені сподівалися знайти відповідь на питання: чому циркадні ритми людей змінюються по мірі старіння? Адже, коли люди стають старше, активність знижується, а ритми змінюються. Доктор Мак-Кланг виявила, що деякі з генів, які були найбільш активними в щоденних циклах, до 60 років переставали використовуватися.
Цілком можливо, що у деяких літніх людей перестає вироблятися білок, необхідний для роботи внутрішніх годин.
Також дослідники з подивом виявили, що деякі гени включалися в активну повсякденну роботу тільки в старості. «Схоже, що мозок намагається компенсувати відключення одних генів роботою інших, активуючи «додаткові години», — говорить доктор Мак-Кланг. Можливо, здатність мозку створювати резервні циркадні ритми — це спосіб захисту від нейродегенеративних захворювань.
Перемикання на запасні внутрішні годинник може використовуватися лікарями для лікування розладів, пов’язаних з циркадными ритмами. Зараз дослідники проводять експерименти з генами тварин і намагаються зрозуміти, як саме активізуються і відключаються гени внутрішніх годин.
Іншими словами, вчені прислухаються до «цокання» і хочуть зрозуміти: що ж нам намагається сказати мозок?