Экспрессия генов не смогла подстроиться под ночную смену
Экспрессия генов, регулируемая циркадными ритмами, не подстраивается под смену распорядка дня при работе в ночную смену, сообщается в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Это выяснили канадские ученые, проанализировав транскриптом людей, которые в течение четырех дней ложились спать на десять часов позже привычного времени.
У человека циркадные ритмы настроены на 24-часовой цикл и регулируются светом: именно отвечающая за циклы сна и бодрствования цепочка белков и генов, совершающих суточные колебания, заставляет нас хотеть спать ночью (посредством выработки мелатонина) и вставать с утра (за это во многом отвечает выработка кортизола). Биологические часы современного человека зачастую сбиваются: этому виной не только повсеместное искусственное освещение, но и необходимость, например, работать ночью и совершать длительные перелеты.
Переход на ночной образ жизни связан с появлением многочисленных проблем со здоровьем, причем как физических, так и психических: среди возможных последствий — расстройства сна и пищевого поведения, ожирение, сердечно-сосудистые заболевания и депрессия. Одна бессонная ночь, например, по негативному воздействию на организм равняется полугоду злоупотребления фастфудом, а также значительно увеличивает количество в мозге бета-амилоидов — патологических форм белков, отвечающих в том числе за развитие болезни Альцгеймера.
Молекулярная основа физиологических эффектов смены циркадных ритмов, однако, до сих пор не изучена до конца. Проверить, как бессонная ночь влияет на гены, экспрессия которых настраивается биологическими часами организма, решили биологи из Университета Макгилла (Монреаль, Канада) под руководством Лоры Кервези (Laura Kervezee). В их эксперименте приняли участие восемь добровольцев (средний возраст — 22,5 года), которых на несколько дней поместили в лабораторные комнаты. У каждого из них по несколько раз в день (всего — от 12 до 14 раз за весь период) брали образец периферической крови, из которой выделяли РНК для полногеномного анализа.
Первый день исследования участникам позволили провести так, как они проводят его обычно: это позволило ученым рассмотреть «привычную» для каждого добровольца экспрессию генов, а также выяснить время нормального отхода ко сну. В течение последующих четырех дней участников поместили на симуляцию работы в ночную смену, позволив им ложиться спать только спустя десять часов после нормального времени. Участникам также можно было спать только восемь часов в сутки.
При переходе на работу в ночную смену участники в среднем спали меньше: в последний день исследования — примерно на 38 минут меньше позволенного им времени. Проанализировав транскриптом участников, ученые выделили гены, повышенная или пониженная экспрессия которых зависит от работы индивидуальных биологических часов участников. Помимо генов-регуляторов циркадных ритмов (например, CLOCK), ученые также отметили, например, FCGR3A и GNLY, участвующие в поддержании иммунитета (они принимают участие в выработке антител), а также участвующего в процессе метаболизма MPI (он отвечает за углеводный обмен).
Ученые выяснили, что 73 процента всех выделенных генов не смогли адаптироваться к смене режима. Их экспрессия осталась «настроенной» на привычный распорядок дня: несмотря на изменившиеся обстоятельства, организм участников существовал в соответствии с привычными циклами сна и бодрствования.
Авторы отмечают, что эксперимент проходил в строго контролируемых лабораторных условиях, поэтому экологическая валидность полученных результатов достаточно низкая, а в будущем необходимо провести исследования с участием людей, работающих в ночную смену в реальной жизни. Стоит также отметить, что маленькая выборка исследования объясняется дороговизной исследований анализа транскриптома.
Зачастую люди не просто сбивают свои естественные биологические часы одной бессонной ночью, но систематически нарушают их работу, предпочитая ночной образ жизни. Пока что точно неизвестно, насколько хорошо организм «сов» подстроен под их хронотип, но недавно ученые выяснили, что вечерне-ночной режим связан с повышенным риском ранней смерти от различных причин.
Елизавета Ивтушок
Это облегчило симптомы поражения мышц и нервов
Выращивание дрозофил с дефектом первого комплекса дыхательной цепи в среде с комбинацией 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) увеличивает выработку АТФ за счет повышения активности второго и четвертого дыхательных комплексов. Активность первого комплекса при этом не меняется. Кроме того, у дрозофил снижалось накопление лактата и пирувата, которое происходит при дефекте первого комплекса, что, по-видимому, облегчало симптомы поражения мышц и нервов. Исследование опубликовано в Human Molecular Genetics. В митохондриях происходит окислительное фосфорилирование — многоэтапный процесс, в ходе которого окисляются восстановительные эквиваленты — восстановленные никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и флавинадениндинуклеотид (ФАДН2), — и вырабатывается АТФ. Происходит последовательный перенос электронов по дыхательной цепи — группе дыхательных ферментов в мембране митохондрии. Всего в цепи участвует пять комплексов дыхательных ферментов. Нарушение переноса электронов по дыхательной цепи сопровождается снижением выработки АТФ и вызывает митохондриальные заболевания. Наиболее часто «ломается» первый комплекс — НАДН-КоQ-оксидоредуктаза, или НАДН-дегидрогеназа. Его дефицит поражает органы и ткани с высокими энергетическими потребностями, таких как мозг, сердце, печень и скелетные мышцы. Обычно это проявляется тяжелыми неврологическими синдромами: например, наследственная оптическая нейропатия Лебера, синдром MELAS или синдром MERRF. Хотя первый комплекс отвечает за поступление наибольшего количества электронов в дыхательную цепь, второй комплекс — ФАД-зависимые дегидрогеназы, — работая параллельно с первым, также отвечает за вход электронов в цепь, передавая их, как и первый комплекс на убихинон (коэнзим Q). Потенциально повышение активности второго комплекса могло бы нивелировать снижение активности первого. Поскольку второй, третий и четвертый дыхательные комплексы и цитохром с содержат гемовые структуры, команда ученых под руководством Канаэ Андо (Kanae Ando) из Токийского столичного университета решили проверить, насколько эффективно будет применение предшественника гема 5-аминолевулиновой кислоты для повышения активности этих комплексов и восстановления синтеза АТФ у дрозофил с дефектом первого комплекса. Сначала ученые отключили у дрозофил ген, гомологичный NDUFAF6 и ответственный за экспрессию одного из регуляторных белков первого комплекса. У таких дрозофил мышцы были тоньше, хрупче и иннервировались хуже, чем у насекомых без нокдауна гена. Кроме того, самцы с неработающим геном погибали намного быстрее самок, и у них развивались более грубые нарушения опорно-двигательного аппарата. Затем ученые проанализировали как нокдаун гена первого комплекса влияет на экспрессию и активность других комплексов. Выяснилось, что нокдаун увеличивает экспрессию генов третьего и пятого комплексов, и снижает — четвертого. При этом активность второго и четвертого комплекса значительно повышалась после нокдауна у самок дрозофил. Ученые не обнаружили нарушений в процессах утилизации активных форм кислорода, однако у дрозофил обоих полов без работающего гена первого комплекса накапливался лактат и пируват. Чтобы проверить влияние комплекса 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) на митохондрии дрозофил с нокаутированным геном, их выращивали в среде, содержащей этот комплекс. Такое воздействие значительно повышало уровни АТФ у самцов и самок дрозофил, при этом количество копий митохондриальной ДНК не изменялось, то есть препарат не увеличивал количество митохондрий. Экспрессия и активность дефектного первого комплекса никак не изменились, а активность второго и четвертого комплексов выросли у самцов. В целом, повышенная экспрессия генов третьего комплекса и активность второго и четвертого комплексов смягчали дефектные фенотипы. Помимо этого 5-ALA-HCl + SFC снижало накопление лактата и пирувата у самцов и самок с нокдауном гена первого комплекса, что потенциально смягчает метаболические нарушения, вызванные дефицитом первого комплекса. У самцов и самок мух-дрозофил, которых лечили 5-ALA-HCl + SFC, наблюдалось меньше дефектов опорно-двигательного аппарата, а продолжительность их жизни значительно увеличилась. Ученые рассчитывают проверить эффект такого лечения на животных с более сложным строением, чтобы подтвердить универсальность такого подхода к лечению митохондриальных нарушений. Не всегда нужна мутация, чтобы нарушить работу дыхательной цепи. Недавно мы рассказывали про то, что большое количество натрия из потребляемой соли нарушает дыхательную цепь митохондрий в регуляторных Т-лимфоцитах. Это приводит к активации аутоиммунных процессов.