Фотоуправляемое соединение изменило циркадный ритм клеточной культуры

Dušan Kolarski et al. / Nature Communications, 2021

Биологи создали и протестировали на клеточных культурах соединение, которое в зависимости от длины волны света может контролируемо удлинять период циркадного ритма клетки. Меняя условия воздействия светом, ученым удалось сдвинуть и фазу циркадного ритма клеток. Авторы работы, опубликованной в Nature Communications, предполагают, что подобный принцип действия поможет в будущем разработать средства для терапии синдрома смены часового пояса и расстройств циркадных ритмов, а значит, предупредить заболевания, вызываемые этими состояниями.

Циркадные ритмы – внутренние циклы активности клеток с периодом примерно 24 часа. Эти циклы позволяют организмам приспосабливаться к ежедневным изменениям окружающей среды. Циркадные ритмы крайне важны для здоровья: они контролируют смену сна и бодрствования, метаболизм и выделение гормонов. Современный образ жизни вызывает рассинхронизацию организма со сменой дня и ночи, что в свою очередь может приводить к кардиоваскулярным и желудочно-кишечным заболеваниям, болезни Альцгеймера, диабету и различным ментальным расстройствам.

Благодаря методам генетики и молекулярной биологии, ученые знают, какие механизмы лежат в основе управления циркадными ритмами – а значит, представляют, как ими можно (хотя бы в теории) управлять. Однако предлагаемым методам не хватает способов управления в пространстве и времени. Поскольку «часовой механизм» заложен во всех клетках тела, малые молекулы, при помощи которых ученые обычно пытаются управлять циркадными ритмами, могут повлиять на циклы активности не только необходимых органов или тканей, но и еще где-либо. Для точной регуляции можно использовать подходы фотофармакологии: создавать молекулы, которые будут по-разному влиять на клеточные процессы в зависимости от воздействия светом разной длины волны.

У млекопитающих важную роль в регуляции циркадного ритма играет малая молекула лонгдэйзин. Эта молекула блокирует действие фермента (киназы), который обычно фосфорилирует белок под названием PER (сокращенное от «период»). Помеченный остатками фосфорной кислоты белок подлежит разрушению, и такое плановое снижение его концентрации в клетке поддерживает суточный цикл длиной в 24 часа. Если лонгдэйзин слишком активен, то киназа хуже выполняет свою роль, белок PER дольше остается в строю, а вместе с ним удлиняется период ритма клетки. 

Ученые из Гронингенского университета предложили изменить лонгдэйзин таким образом, чтобы в зависимости от воздействия светом он обратимо менял свою изомерную форму и, соответственно, то слабее, то сильнее ингибировал киназу.

Для этого к молекуле лонгдэйзина исследователи присоединили фотопереключатель – фенилдиазенильную группу. Авторы работы протестировали несколько вариантов строения молекулы, прежде чем найти самый подходящий: ученые хотели, чтобы соединение было фотохимически стабильным, а переключение между цис- и транс-изомерами вызывалось видимой частью спектра. Кроме того, химики внесли замещения и в саму фенилдиазенильную группу. Исследователи протестировали соединения на культуре человеческих клеток, в которых в качестве репортерной системы использовался ген люциферазы. 

Лучшим вариантом показал себя вариант лонгдэйзина с орто-тетрафлуроазобензолом, который продемонстрировал эффективную фотоизомеризацию в двух направлениях. При воздействии зеленого света (длина волны – 530 нанометров) молекула переходила в свою транс-изомерную форму, а фиолетовый свет (длина волны – 400 нанометров) приводил к образованию цис-изомера. Добавление транс-изомера (с концентрацией восемь микромоль) к клеточным культурам позволило удлинить циркадный период клеток на четыре часа. Если же на клетки с добавленным соединением сначала светили зеленым светом, превращая транс-изомер в цис-форму, то действие соединения ослабевало и циркадный период удлинялся всего на один час. На клетки можно было затем подействовать фиолетовым светом, и цис-изомер снова превращался в транс-изомер.

Авторы работы также предположили, что последовательные изменения в циркадном периоде могут привести к смене фазы цикла – а это в свою очередь дает основу для нового подхода в терапии синдрома смены часового пояса. Исследователи добавили к клеточной культуре цис-форму соединения, которая почти не влияет на циркадный период. На следующий день на клетки подействовали фиолетовым светом для смены изомерной формы. Спустя 48 или 72 часа на клетки снова посветили зеленым, что инактивировать лонгдэйзин. В результате у клеток изменилась фаза циркадного цикла на два и четыре часа, соответственно. Этим экспериментом ученым удалось показать, что подобный подход может лечь в основу терапии расстройств циркадных ритмов.

Расстройства циркадных ритмов повышают риск заболеваний, связанных с хроническим воспалением, давно подтверждается учеными на молекулярном уровне: например, исследователи показали механизм развития рассеянного склероза вследствие нарушения работы биологических часов. За само исследование циркадных ритмов и описание молекулярных механизмов в 2017 году Нобелевскую премию получили Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг. Об их исследовании можно прочитать в материале N + 1 «Ход часов лишь однозвучный».

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.