Наука,

Таблетка долгого дня

Учёные приблизились к пониманию молекулярных основ суточных циклов человека. В перспективе это поможет управлять сном и бодрствованием «в ручном режиме».
Фото: lori.ru

Рассогласование «биологических часов» с астрономическими и социальными приводит к недостатку сна и проблемам со здоровьем. Экспериментальные препараты, модифицирующие цикличность работы организма, могут в перспективе позволить «переводить внутренние часы» вручную. Но для этого нужно точно знать, как именно эти часы работают.

Используя клеточные культуры и математическое моделирование, учёные из университета Калифорнии прояснили работу двух «молекулярных маятников», участвующих в работе биологических часов. Это позволило объяснить, как работают обнаруженные опытным путём препараты-удлинители дня. В будущем полученная информация может быть использована уже для целенаправленного воздействия на суточные циклы у человека.

Жизнь по часам

Суточные циклы – или циркадные ритмы, как они называются в науке – определяют течение огромного количества процессов в организме. Сон – только одно из проявлений такой цикличности.

Цикличность характерна, например, для аппетита, настроения, обоняния и вкуса. Влияет циркадный ритм и на более «глубокие» процессы: например, цикличности подвержена температура тела, кровяное давление и многие аспекты обмена веществ. Даже иммунная система имеет фазы пониженной и повышенной активности – охрана встаёт рано, но ей, как выясняется, тоже нужно отдыхать.

Все «ритмичные» процессы в организме находятся под контролем «центрального часового механизма» в мозговом центре, который учёные называют супрахиазматическим ядром. Эти «биологические часы» могут работать автономно от внешнего мира. Например, если человека изолировать от дневного света и других «суточных переменных», он всё равно будет хотеть спать с приблизительно двадцатичетырёхчасовой периодичностью.

Однако нельзя сказать, что «биологические часы» вообще никак не связаны с внешними, «природными» циклами. Самым известным примером взаимосвязи между «внутренними» и «внешними» часами является влияние дневного света – конкретно, света синей части спектра – на суточный цикл. Вечернее солнце сдвигает цикл вперёд – ложиться спать и просыпаться хочется позднее. Наоборот, солнечное утро сдвигает цикл назад.

К «внешним» факторам цикличности относятся и социальные: в современном мире большинство людей заставляют себя просыпаться в нужное время с помощью будильников, «форсируя» определённую фазу цикла.

О дружбе биологии с астрономией

Проблема недостатка сна особенно актуальна сегодня, в век социальных сетей и кофеина. Неполноценный отдых сказывается как на психическом, так и на физическом здоровье населения – в частности, подростков. В шестнадцать лет сон кажется досадной тратой времени. Так было во все времена, но с появлением возможностей для непрерывного общения со сверстниками широкомасштабная депривация сна вышла на совершенно новый уровень.

Однако на самом деле проблема шире, чем простой вопрос о количестве часов, проведённых в постели. В обобщённом виде она включает в принципе рассогласование двух «часовых механизмов»: внутреннего, определяемого «биологическими часами», и внешнего – природного и социального. Именно несоответствие одного и другого грозит проблемами со здоровьем.

Часть из опасностей «рассогласованных часов» интуитивно понятна: например, недостаток сна и его низкое качество приводит к усилению агрессивности и антисоциального поведения. Но есть и менее очевидные проблемы: например, повышенный риск диабета и некоторых форм рака.

Конечно, самое простое решение – приучить себя к определённому суточному циклу, включающему 7–8 часов сна, и следовать ему ежедневно. Но для современного человека это не такая простая задача.

Мы ложимся и встаём рано на неделе, но «срываемся» на выходных, проводя всё утро под одеялом. Мы засиживаемся допоздна в социальных сетях. Последнее, кстати, может напрямую влиять на суточную цикличность: по некоторым данным, яркий свет монитора отчасти интерпретируется «биологическими часами» как солнечный.

Наконец, общество XXI века как никогда мобильно и всё больше живёт по свободному графику. Перелёты через несколько часовых поясов – сегодня обычное дело, как и профессии, позволяющие ложиться и вставать, когда вздумается или когда того требует работа.

Таким образом, привести «внутренний» цикл в соответствие с «внешним» для многих людей не так просто, как может показаться. Гораздо привлекательнее перспектива «ручного управления» внутренним циклом.

Предстоит длинный перелёт? Вместо того, чтобы мучаться от сонливости всю дорогу, но просыпаться к моменту прибытия, хорошо бы просто удлинить свой «внутренний день» на десять часов. Нужно рано встать? Это было бы куда проще, если бы можно было заснуть «по сигналу» в середине дня, и легко проснуться в назначенный час.

Как работают молекулярные часы?

В основе всех циклических процессов в организме лежат ритмичные взаимодействия специально предназначенных для этого «часовых молекул». В ходе эволюции установились молекулярные циклы, работающие с периодичностью, примерно равной времени суток. К этим «молекулярным часам» впоследствии были «привязаны» все остальные эффекты: например, циклическое выделение гормонов или нервные импульсы, регулирующие включение и выключение «дневных» и «ночных» отделов мозга.

У человека главный часовой механизм, синхронизирующий все остальные суточные процессы, располагается в супрахиазматическом ядре головного мозга. Это ядро ежедневно рассылает по телу и мозгу нервные и гормональные сигналы, оповещающие организм о текущем времени суток. Но о том, как именно клетки супрахиазматического ядра отсчитывают время, известно очень мало.

В последние годы учёным удалось обнаружить несколько компонентов этого молекулярного часового механизма. Среди них ключевыми являются два белка – Period (PER) и Cryptochrome (CRY). Двадцатичетырёхчасовые циклы их формирования и уничтожения определяют включение и выключение разнообразных «дневных» и «ночных» генов. Исследователям даже удалось найти химические вещества, которыми можно воздействовать на эти белки. Но полностью объяснить их эффект до сих пор не удавалось.

Раньше считалось, что белки-маятники PER и CRY выполняют одну и ту же функцию. Они образуются в цитоплазме клетки, объединяются в пару и перемещаются в ядро. Там они блокируют группу «дневных» генов. Через определённый промежуток времени пара белков-блокировщиков уничтожается.

Работа «дневных» генов возобновляется, и это начинает новую фазу цикла. Она продолжается до момента, пока белки-маятники – не образуются заново. Таким образом, «биологические сутки» на молекулярном уровне определяются биохимическими свойствами PER и CRY – в частности, скоростью их производства и уничтожения.

Однако такая модель не могла объяснить различия в работе двух препаратов, воздействующих на каждый из двух белков описанной пары. Один из препаратов, названный открывшими его учёными лонгдейзин (приблизительный перевод – «длинноднин»), одновременно удлинял суточный цикл и делал его более выраженным. Другой препарат с более прозаичным названием KL001, воздействующий на второй белок-маятник из пары, тоже «удлинял дни», но при этом, наоборот, размывал физиологические различия между днём и ночью.

В новом исследовании учёным удалось показать, что на самом деле белки в составе пары выполняют разные роли. Один из них – PER – отвечает за «доставку» пары из цитоплазмы в ядро, а другой – CRY – собственно выполняет функцию блокировки «дневных» генов.

Этим и объясняются различия воздействующих на них препаратов. Лонгдейзин, воздействуя на белок-«перевозчик» PER, подолгу удерживает пару PER-CRY в цитоплазме. Это растягивает суточный цикл, но при этом увеличивает его амплитуду: попав, наконец, в ядро, накопившаяся в большом количестве пара из «перевозчика» и «блокировщика» резко выключает «дневные» гены.

Препарат KL001, наоборот, не влияет на «перевозчика» и действует на «блокировщика» CRY, удлиняя его действие. Это тоже растягивает цикл, но при этом делает колебания менее выраженными: биологические сутки как бы замораживаются на «ночной» стадии.

Возможность фармакологически воздействовать на циркадные ритмы – не просто прихоть полуночников. В будущем препараты, удлиняющие или укорачивающие суточный цикл, помогут людям, страдающим расстройствами сна. Работа супрахиазматического ядра – центрального часового механизма в организме – ухудшается, например, в процессе старения.

Более того, по некоторым данным, нарушения циркадных ритмов могут быть причиной целого списка возрастных заболеваний – от катаракты до атрофии мышц. Таким образом, воздействуя на сон и суточную цикличность, можно потенциально продлить жизнь и улучшить здоровье. Но от «таблетки долгого дня» тоже никто не откажется.

Обнаружили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.