Кубанский государственный технологический университет

Найден ген, регулирующий ход «внутренних часов»

03-06-2012
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. SCFFbxl3 Controls the Oscillation of the Circadian Clock by Directing the Degradation of Cryptochrome Proteins // Science. 2007. V. 316. P. 900–904.

Александр Марков

‹‹