Жизнь на Земле развивалась в рамках 24-часового цикла; света и тьмы, горячего и холодного. «В результате наши клетки синхронизируются с этими 24-часовыми колебаниями», – говорит Виктор Шимански, профессор радиологической химии в Университетском медицинском центре Гронингена. Наши циркадные часы регулируются центральным контроллером в супрахиазматическом ядре, области мозга непосредственно над зрительным нервом, но все наши клетки содержат собственные часы.
Эти часы состоят из колебаний в производстве и расщеплении определенных белков.
Выключатель
«Становится все более очевидным, что эти часы могут быть нарушены в органах или тканях, что может привести к болезни», – добавляет первый автор ДуšКоларски, аспирант из группы, возглавляемой Беном Ферингой, профессором органической химии. И, конечно же, все мы знаем о смене часовых поясов, которая возникает из-за путешествий по часовым поясам, или о проблемах, связанных с переходом на летнее или зимнее время. «Мы очень мало знаем о том, как наши клетки координируют эти колебания или как это влияет на организм, если, например, одна почка не совпадает по фазе с остальной частью тела», – добавляет он.
Для изучения этих эффектов было бы полезно иметь лекарство, которое влияет на часы и которое можно активировать локально. Последнее – то, что группы Шимански и Феринга делали раньше. Они создали несколько соединений, таких как антибиотики или противоопухолевые препараты, которые можно было включать и выключать с помощью света.
Ранее циркадный биолог Цуёси Хирота, доцент Института трансформирующих биомолекул Университета Нагоя, Япония, разработал ингибитор киназы, longdaysin, который замедляет циркадные часы до цикла, который длится до 48 часов. Коларски оснастил этот длинный день выключателем света, который позволял ему активировать или деактивировать соединение с помощью фиолетового и зеленого света соответственно.
Часовой пояс
На разработку этой адаптации у Коларски ушло несколько лет, но результат того стоил. «Это был настоящий научный« Тур де Форс »и прекрасный пример междисциплинарного сотрудничества», – добавляет Феринга.
Вместе со своими японскими коллегами из Университета Нагоя ученые из Университета Гронингена показали, как цикл культивирования клеток был продлен с 24 до 28 часов за счет обработки производным longdaysin. Деактивация зеленым светом вернула цикл к немногим более 25 часов, а последующая реактивация фиолетовым светом вернула его к 28 часам.
«Мы также использовали его в срезах ткани супрахиазматического ядра мыши», – говорит Коларски. "Колебания замедлились до 26-часового цикла после обработки в течение нескольких дней производным longdayin и вернулись к 24-часовому циклу после деактивации зеленым светом."
«Эта обратимая регуляция обеспечит новый подход к анализу того, как часы в каждой клетке организованы на тканевом уровне, чтобы получить более глубокое понимание сложной системы циркадных часов», – добавляет Хирота.
Ученые также скорректировали фазу циклов в культивируемых клетках: трехдневная активация производного лонгдайсина с последующей дезактивацией вызвала сдвиг в 24-часовом цикле до шести часов.
Это как если бы ячейки были синхронизированы с другим часовым поясом. Эксперименты являются доказательством принципа и позволят ученым более подробно изучить циркадные часы. Следующим шагом будет использование longdaysin у животных.
Коларски: «Оригинальный longdaysin без переключателя ранее использовался на рыбках данио. Очень хотелось бы протестировать на мышах.
Цель не в том, чтобы исправить смену часовых поясов, а в том, чтобы изучить влияние долгого дня на физиологию."
Органы
Светоактивированный препарат, такой как лонгдайзин, вероятно, будет использоваться только для лечения серьезных заболеваний. "Мы действительно можем достичь нескольких органов с помощью света, например, с помощью эндоскопа. "Желудочно-кишечный тракт и дыхательная система легко доступны, в то время как другие ткани могут потребовать небольших разрезов для вставки оптических волокон", – комментирует Шимански.
Есть также несколько новых вариантов генерации света внутри органов или тканей с помощью таких методов, как биолюминесценция или сонолюминесценция. Хотя эти уровни света все еще на несколько порядков ниже того, что нам нужно, чтобы щелкнуть переключателем. Мы будем упорно работать над повышением чувствительности в ближайшие годы, – подчеркивают Шимански и Феринга.
Коларски добавляет: «Мы открыли новую область исследований. В конце концов, все это позволит нам локально нарушить или восстановить циркадные колебания."