Найден ген, регулирующий ход «внутренних часов»

Любимое развлечение лабораторных мышей — бег в колесе — подчинено циркадному ритму. Периодичность, с которой мыши занимаются спортом, зависит от хода внутренних «биохимических часов». (Фото с сайта www.sflorg.com)

Точечная мутация гена FbxI3 приводит к удлинению суточного цикла у мышей на целых три часа. Как выяснилось, кодируемый этим геном белок отвечает за своевременную инактивацию двух других белков, Cry1 и Cry2, ключевых участников регуляторного каскада, порождающего суточные колебания активности множества генов в клетках. «Поломка» гена FbxI3 замедляет инактивацию Cry1 и Cry2, что в конечном счете ведет к отставанию биохимических часов.

Суточные, или циркадные, ритмы играют важную роль в жизни многих организмов, как многоклеточных, так и одноклеточных. В их основе лежит сложная молекулярная система, состоящая из большого числа регуляторных белков, поочередно активирующих и инактивирующих друг друга. Межбелковые взаимодействия образуют несколько контуров положительной и отрицательной обратной связи. Конечным результатом являются ритмичные колебания активности множества генов, не только регуляторных, но и «рабочих». Чтобы биохимические часы шли точно, взаимная активация/инактивация генов-регуляторов должна осуществляться со строго определенной скоростью.

Исследователи из Италии, Великобритании и США изучали циркадные ритмы у мышей, измеряя периодичность, с которой животные занимаются своим любимым спортом — бегают в колесе. В норме «внутренние часы» у изученных популяций лабораторных мышей немного спешат: циркадный период составляет в среднем 23,63 часа. Ученые заметили, что одна мышка отличается от всех остальных: ее циркадный период был почти в точности равен суткам. От «оригиналки» немедленно произвели потомство, половина которого унаследовала странную замедленность суточного ритма. Скрестив между собой «замедленных» мышей, исследователи получили менделевское расщепление: 25% потомков с нормальным суточным ритмом, 50% с немного замедленным (23,9–24,3 часа), 25% с сильно замедленным (в среднем 26,5 часов). Это свидетельствует о том, что признак определяется мутацией одного-единственного гена. Мыши, гетерозиготные по этой мутации (у которых только одна из двух копий данного гена несет мутацию), замедлены на полчаса, гомозиготные (несущие две мутантные копии гена) — на целых три часа. Мутацию назвали «after hours» (Afh).

Воспользовавшись классическими методами генетики (см.: Российские ученые нашли ген облысения и роста волос, радио «Свобода», 13.11.2006.), исследователи локализовали участок мышиной хромосомы 14, на котором расположена мутация, а затем отсеквенировали все 25 генов, имеющихся на этом участке. Выяснилось, что мутация Afh представляет собой замену одного нуклеотида в гене FbxI3, в результате которой в белке, кодируемом этим геном, аминокислота серин в 358-ой позиции заменяется на цистеин.

Функция белка FbxI3 до сих пор была неизвестна, но по последовательности аминокислот можно было заключить, что он участвует во взаимодействии с какими-то другими белками, причем мутация произошла как раз в том месте белковой молекулы, которая служит для «узнавания» других белков.

Последующие эксперименты с использованием мышей-мутантов с полностью отключенным геном FbxI3 позволили установить, что от этого белка зависит время, в течение которого происходит деградация (уничтожение) двух других белков — Cry1 и Cry2, которые, в свою очередь, являются ключевыми участниками одного из регуляторных контуров, составляющих внутриклеточные «биохимические часы». Белок FbxI3 входит в состав молекулярного комплекса, прикрепляющего к молекулам Cry1 и Cry2 особый короткий сигнальный белок — убиквитин. Это служит сигналом для других молекулярных систем (протеасом), которые отвечают за уничтожение белковых молекул, отслуживших свое. Убиквитинирование является универсальным способом «метить» белки, подлежащие уничтожению.

Белки Cry1 и Cry2 вместе с белком Clock-Bmal1 образуют контур отрицательной обратной связи, который является важной составной частью «биохимических часов». Белки Cry1 и Cry2 подавляют активность регуляторного белка Clock-Bmal1, функция которого состоит в активации множества генов, в том числе и генов Cry1 и Cry2. Таким образом, стало понятно, почему у мышей с мутацией Afh замедляется циркадный ритм. «Испорченный» мутацией белок FbxI3 слишком медленно убиквитинирует белки Cry1 и Cry2, из-за этого их концентрация снижается недостаточно быстро, и очередной пик активности белка Clock-Bmal1 наступает с задержкой. Это, в свою очередь, влечет за собой целый каскад изменений в активности генов и белков.

Источники:
1) Sofia I. H. Godinho et al. The After-Hours Mutant Reveals a Role for Fbxl3 in Determining Mammalian Circadian Period // Science. 2007. V. 316. P. 897–900.
2) Luca Busino et al. SCF^Fbxl3 Controls the Oscillation of the Circadian Clock by Directing the Degradation of Cryptochrome Proteins // Science. 2007. V. 316. P. 900–904.

Александр Марков

Последние новости: Генетика, Александр Марков

24 мая Слуховая кора избирательно слышит то, к чему мы прислушиваемся

22 мая Ген, улучшающий память, заодно повышает и риск посттравматического стрессового растройства

19 мая Эволюция видов в сообществе идет не так, как в монокультуре

17 мая Самки рыб-чистильщиков ведут себя вежливее с незнакомцами, чем с давними приятелями

15 мая Обилие редких мутаций в генофонде человечества существенно превышает современные оценки

26 апреля Сегменты у насекомых развиваются по часам

25 апреля Злокачественные опухоли и их метастазы не только растут, но и активно изменяются независимо друг от друга

24 апреля Личинки губок видят нетрадиционным способом

23 апреля Искусственные полимеры могут хранить генетическую информацию

18 апреля Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):