Πώς τα τρισεκατομμύρια ρολόγια του σώματος κρατούν τον χρόνο

Η Carrie Partch ήταν στο τέλος του μεταδιδακτορικού της όταν έκανε την πρώτη ανακάλυψη. Η δομική βιολόγος εξέταζε μια βάση δεδομένων ανθρώπινων πρωτεϊνών, σημειώνοντας εκείνες που μοιράζονταν ένα κομμάτι με αυτές που μελετούσε. «Απλώς το ξεφύλλιζα σκεπτόμενη:«Θα έπρεπε να τα ξέρω όλα αυτά»», θυμάται. "Τότε εμφανίστηκε αυτό και είχε διαφορετική αρχιτεκτονική τομέα από ό,τι είχα δει ποτέ." Κοίταξε περαιτέρω την πρωτεΐνη, που ονομάζεται PASD1, της οποίας η λειτουργία ήταν άγνωστη. Βρήκε ότι μεταξύ των λίγων πρωτεϊνών που έμοιαζε ήταν μια που ονομαζόταν ΡΟΛΟΙ. Και αυτό την έκανε να κάθεται πιο ίσια — γιατί το CLOCK βρίσκεται στην καρδιά μιας πολύ μεγάλης, μυστηριώδους διαδικασίας.

Όχι πολύ καιρό πριν, όπως γνώριζε ο Partch, είχε γίνει σαφές ότι σχεδόν κάθε κύτταρο σε σχεδόν κάθε ιστό του σώματος κρατά χρόνο. Κάθε 24 ώρες, ανταποκρινόμενη σε ένα βιοχημικό κάλεσμα, μια χούφτα πρωτεϊνών συγκεντρώνεται στον πυρήνα του κυττάρου. Όταν συνδέονται μεταξύ τους στο γονιδίωμα, γίνονται μια ομάδα ασυναγώνιστων επιπτώσεων:Υπό την επιρροή τους, χιλιάδες γονίδια μεταγράφονται σε πρωτεΐνες. Τα γρανάζια του κυττάρου τραντάζονται σε κίνηση, ο ιστός ζωντανεύει και στο επίπεδο του οργανισμού ανοίγεις τα μάτια σου και νιώθεις λίγη πείνα για πρωινό.

Αυτά τα συμπλέγματα πρωτεϊνών μέτρησης χρόνου, τα οποία παίρνουν μερικά από τα σημάδια τους από ένα μέρος του εγκεφάλου που ανταποκρίνεται στο φως και το σκοτάδι, είναι γνωστά ως κιρκαδικά ρολόγια. Σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, ρυθμίζουν την έκφραση του 40 τοις εκατό των γονιδίων στο σώμα. Οι ερευνητές συσσωρεύουν στοιχεία ότι τα κιρκάδια ρολόγια έχουν βαθιές επιπτώσεις σε όλα, από την ανάπτυξη του εμβρύου μέχρι τις ασθένειες. Τα κιρκάδια ρολόγια είναι τόσο πανταχού παρόντα και τόσο σημαντικά για τη λειτουργία των μεμονωμένων κυττάρων, που οι βιολόγοι των οποίων η έρευνα δεν συνδέεται φανερά με ένα ρολόι συνειδητοποιούν πώς μπορεί να επηρεάσει την εργασία τους. «Όλο και περισσότερο σκοντάφτουν σε στοιχεία ρολογιού», είπε ο Τσαρλς Γουάιτζ, μοριακός βιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ. "Δεν με εκπλήσσει."

Πολύ λίγα κύτταρα δεν διαθέτουν ρολόι, αλλά περιλαμβάνουν βιολογικά επιτακτικά παραδείγματα όπως εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα και καρκίνο. Σε μια προσπάθεια να διακρίνει πώς λειτουργεί το μοριακό ρολόι - και γιατί, μερικές φορές, φαίνεται να σταματάει - ο Partch αποφάσισε να κοιτάξει πιο προσεκτικά το PASD1. Όπως αποκάλυψαν πρόσφατα η ίδια και οι συνάδελφοί της σε μια εφημερίδα στο Molecular Cell , το PASD1 μπορεί να είναι ένας διακόπτης που εξηγεί πώς τα κύτταρα τόσο διαφορετικά μεταξύ τους όσο οι καρκίνοι και οι πρόδρομες ουσίες του σπέρματος ξεφεύγουν από τους καθημερινούς ρυθμούς που διέπουν τα τρισεκατομμύρια άλλα κύτταρα στο σώμα. Δίνει στους ερευνητές μια βαθιά ματιά στα μυστικά του τρόπου με τον οποίο το κύτταρο κροτώνει.

Βρέθηκε το ρολόι η αγελάδα

Η καθημερινή ποδηλασία των φυτών και των ζώων ήταν πηγή γοητείας για χιλιετίες, αλλά μόλις πριν από περίπου 50 χρόνια άρχισε να απογειώνεται η έρευνα για την υποκείμενη βιοχημεία. Πολλοί άνθρωποι εντοπίζουν την ίδρυση του πεδίου σε μια συνάντηση στο Cold Spring Harbor το καλοκαίρι του 1960, όπου οι ερευνητές άντλησαν ιδέες για το τι θα μπορούσε να προκαλέσει τους κιρκάδιους ρυθμούς και επινόησαν πειράματα για να δοκιμάσουν τις θεωρίες τους. Τις επόμενες τρεις δεκαετίες, οι ερευνητές αναγνώρισαν μεταλλαγμένα πλάσματα με μη φυσιολογικούς καθημερινούς κύκλους - μύγες φρούτων, χάμστερ, ζυμομύκητες και άλλα - και άρχισαν να αποκαλύπτουν τα γονίδια που απαιτούνται για έναν κανονικό ρυθμό. Μελετώντας μύγες των οποίων ο φυσικός κύκλος ήταν 19 ή 28 ώρες ή που δεν είχαν διακριτό ρυθμό, οδήγησε τους πρωτοπόρους του ρολογιού Ronald Konopka και Seymour Benzer να ανακαλύψουν την πρώτη οικογένεια γονιδίων βασικού ρολογιού, την οποία ονόμασαν per , το 1971, και του οποίου τα επίπεδα τώρα γνωρίζουμε ότι ανεβαίνουν και πέφτουν κατά τη διάρκεια της ημέρας. Μόλις ένα χρόνο αργότερα, οι ερευνητές ανέφεραν ότι ένα μικροσκοπικό κομμάτι κυττάρων στον εγκέφαλο που ονομάζεται υπερχιασματικός πυρήνας ήταν απαραίτητο για έναν 24ωρο κιρκάδιο ρυθμό στα θηλαστικά.

Ωστόσο, για πολλά χρόνια δεν ήταν σαφές πόσο διάχυτα ήταν τα αποτελέσματα του ρυθμού - πόσο βαθιά επηρεάζει τα πάντα στο σώμα. Το 1988, ο Ueli Schibler, τώρα καθηγητής μοριακής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, μελετούσε μεταγραφικούς παράγοντες, κυτταρικούς παράγοντες που ελέγχουν τη μεταγραφή των γονιδίων σε πρωτεΐνες. Ένας παράγοντας συγκεκριμένα, που απομονώθηκε από αρουραίους από έναν Καναδό μεταδιδακτορικό, φαινόταν να είναι αρκετά ισχυρός. Μαζί δημοσίευσαν την ανακάλυψή τους στο περιοδικό Cell . Τρεις μήνες αργότερα, ωστόσο, ένας μαθητής ονόματι Jérôme Wuarin ανέλαβε το έργο. Σύντομα πλησίασε τον Σίμπλερ με κάποια ανησυχητικά νέα.

«Πρέπει να ανακαλέσετε αυτό το χαρτί», θυμάται ο Σίμπλερ που είπε ο Γουάριν. «Είναι όλα ψεύτικα. Δεν υπάρχει." Όταν ο Wuarin πραγματοποίησε την απομόνωση, ο παράγοντας μεταγραφής δεν είχε εμφανιστεί. Ο Σίμπλερ, λαμβάνοντας σοβαρά υπόψη τις ανησυχίες του, δοκίμασε τη διαδικασία ο ίδιος. Βρήκε εύκολα τον παράγοντα μεταγραφής.

Μετά από μερικές εβδομάδες, ο Wuarin συνειδητοποίησε γιατί δεν μπορούσε να το βρει ο ίδιος:Αυτός και ο μεταδιδάκτορας είχαν κάνει την απομόνωση σε διαφορετικές ώρες της ημέρας. Ο μεταδιδάκτορας, που ξυπνούσε αργά, συνήθως έφτανε γύρω στις 11 π.μ., σκότωνε τους αρουραίους και είχε τον παράγοντα μεταγραφής στο χέρι μέχρι το μεσημέρι. «Αλλά [ο Wuarin] ήταν γιος αγρότη», εξηγεί ο Schibler. "Σηκώθηκε στις 5, άρμεξε τις αγελάδες, μετά ήρθε στο εργαστήριο και σκότωσε τους αρουραίους στις 7. Και εκείνη την ώρα, αυτή η πρωτεΐνη απλώς δεν υπήρχε."

Είναι πλέον γνωστό ότι κάθε μέρα, τα επίπεδα αυτού του μεταγραφικού παράγοντα ξεκινούν σχεδόν από τίποτα, καθιστώντας αδύνατο τον εντοπισμό το πρωί και στη συνέχεια αυξάνονται 300 φορές, καθιστώντας εύκολο για τον μεταδιδακτορικό να το βρει στη μέση της ημέρας. Ο Σίμπλερ σημειώνει ειρωνικά, κατά παρέκκλιση, ότι όλα αυτά τα χρόνια, κανείς δεν έχει βρει ποτέ πρωτεΐνη που να ταλαντεύεται πιο άγρια. Ήταν απλώς η τύχη τους.

Μετά από αυτή την ανακάλυψη - ότι οι κιρκάδιοι ρυθμοί των ερευνητών και οι κιρκάδιοι ρυθμοί των αρουραίων αλληλεπιδρούν για να κάνουν την πρωτεΐνη να φαίνεται να εξαφανίζεται - ο Schibler στράφηκε στη μελέτη του ημερήσιου ρυθμού και του ελέγχου της μεταγραφής. Το 1998, αυτός και οι συνεργάτες του βρήκαν κάτι απροσδόκητο. Για χρόνια, τα κύτταρα του υπερχιασματικού πυρήνα θεωρούνταν ότι ήταν μόνα τους έχοντας το δικό τους ρολόι, ελέγχοντας όλους τους ρυθμούς στο υπόλοιπο σώμα από απόσταση. Αλλά ο Schibler και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι ο εγκέφαλος δεν ήταν απαραίτητος για έναν ρυθμό. ούτε πραγματικά ήταν ένα σώμα. Δύο είδη κυττάρων αρουραίου, που αναπτύσσονται σε πιάτα για γενιές, θα εξέφραζαν ρυθμικά γονίδια όλα μόνα τους. Το έργο της ομάδας προσχώρησε σε μια χούφτα άλλες μελέτες που υποδηλώνουν ότι τα ρολόγια του σώματος ήταν ευρύτερα κατανεμημένα από ό,τι πίστευαν οι άνθρωποι.

Έκτοτε, τα ηπατικά κύτταρα, τα κύτταρα της καρδιάς, τα πνευμονικά κύτταρα - σύμφωνα με τα λόγια του Charles Weitz, «σχεδόν κάθε ιστός που έχουμε κοιτάξει» - αποδείχτηκε ότι κέρδισαν τον χρόνο τους, εκτός από το ότι παίρνουν σημάδια από τον υπερχιασματικό πυρήνα. «Σχεδόν κάθε κύτταρο στο σώμα μας έχει κιρκάδιο ρολόι», είπε ο Satchin Panda, ερευνητής ρολογιού στο Ινστιτούτο Salk. «Βοηθά κάθε κύτταρο να καταλάβει πότε να χρησιμοποιεί ενέργεια, πότε να ξεκουράζεται, πότε να επισκευάζει το DNA ή να αναπαράγει το DNA». Ακόμη και τα τριχωτά κύτταρα, για παράδειγμα, διαιρούνται σε μια συγκεκριμένη ώρα κάθε βράδυ, διαπίστωσε η Panda. Κάντε ακτινοθεραπεία σε ασθενείς με καρκίνο το βράδυ και όχι το πρωί και μπορεί να χάσουν λιγότερα μαλλιά.

Οι ερευνητές πέρασαν τα τελευταία 15 χρόνια ξεμπερδεύοντας τα μοριακά συστατικά αυτών των περιφερειακών ρολογιών, όπως είναι γνωστά. Ένα μεγάλο βήμα προόδου έγινε το 2004, όταν μια ομάδα με επικεφαλής τον Joseph Takahashi, τώρα καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Texas Southwestern, ανέπτυξε ποντίκια με μια λαμπερή πρωτεΐνη PER. Όταν εκφράζεται το PER, τα κύτταρα από αυτά τα ποντίκια είναι φωτεινά. όταν δεν είναι, είναι σκοτεινά. Αυτή η πρόοδος επέτρεψε τις μελέτες που παρακολουθούν την κίνηση του ρολογιού σε μυριάδες διαφορετικούς ιστούς και περιστάσεις.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα περιφερειακά ρολόγια βασίζονται στο CLOCK και σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται BMAL1, όπως και το ρολόι στον υπερχιασματικό πυρήνα. Πιέζοντας το ένα το άλλο σφιχτά, αυτό το ζεύγος προσκολλάται στο γονιδίωμα και στρατολογεί άλλες πρωτεΐνες για να ξεκινήσει τη μεταγραφή των κοντινών γονιδίων, συμπεριλαμβανομένου του per . Πολλά από αυτά τα γονίδια βρίσκονται πίσω από ορισμένους φυσιολογικούς ρυθμούς — για παράδειγμα, την παραγωγή ηπατικών ενζύμων την ώρα του φαγητού και την καθημερινή άνοδο και πτώση της αρτηριακής πίεσης.

Αλλά ορισμένες πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένου του PER, χρησιμεύουν ως αντισταθμιστικά. Καθώς το PER και οι συνεργάτες του συσσωρεύονται σταδιακά στο κελί σε διάστημα 12 ωρών, αναστέλλουν τη δραστηριότητα του CLOCK και του BMAL1. Τις επόμενες 12 ώρες, οι αντισταθμίσεις υποβαθμίζονται αργά και το CLOCK και το BMAL1 επανέρχονται. Λίγο πριν την αυγή και λίγο πριν το σούρουπο, ο John Hogenesch, χρονοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, διαπίστωσε ότι υπάρχουν «ώρες αιχμής» γονιδιακής έκφρασης, ίσως το σώμα να προετοιμάζεται για τις διαφορετικές απαιτήσεις επιβίωσης στο φως και στο σκοτάδι. /P>

Είναι ένα τακτοποιημένο, αυτοδιοικούμενο σύστημα και είναι δελεαστικό να το αποκαλούμε πανταχού παρόν. Αλλά αυτές οι μελέτες έχουν αποκαλύψει επίσης ότι δεν έχουν όλα ρολόι. Τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα, τα οποία μπορούν να εξελιχθούν σε σχεδόν οποιοδήποτε τύπο κυττάρου, δεν κρατούν χρόνο. Οι όρχεις, σχεδόν μόνοι μεταξύ των οργάνων που έχουν ελεγχθεί, δεν φαίνεται να έχουν ούτε ρολόι. Και πολλά καρκινικά κύτταρα δεν διατηρούν σταθερό ρυθμό. Τι κοινό μπορεί να έχουν αυτά τα πράγματα; Εδώ έρχεται η ανακάλυψη του Partch.

Πώς σταματά το ρολόι

Ένα από τα πρώτα πράγματα που έμαθε ο Partch για το PASD1 ήταν ότι εμφανίζεται σε πολύ λίγους ιστούς. Αλλά εκείνα που το κάνει είναι ενδιαφέροντα:οι όρχεις και οι καρκίνοι. Όταν η Partch έγινε καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, αυτή και οι μαθητές της άρχισαν να προσθέτουν PASD1 σε κύτταρα εξοπλισμένα με λαμπερό PER. Βρήκαν ότι το συνηθισμένο φως των κυττάρων είχε μειωθεί σε μια αχνή λάμψη, υποδεικνύοντας ότι το PASD1 παρεμπόδιζε την κανονική λειτουργία του ρολογιού. Και όσο περισσότερο PASD1 πρόσθεταν, τόσο πιο αμυδρά ήταν τα κελιά.

Στη συνέχεια, η Partch και οι μαθητές της μεγάλωσαν κύτταρα με λαμπερό PER και συγχρονίστηκαν όλα τα κυψελωτά ρολόγια. Η λάμψη θα γινόταν πιο φωτεινή και πιο αμυδρή σαν ημιτονοειδές κύμα με περίοδο 24 ωρών, με καθορισμένες κορυφές και κατώφλια για όσο διάστημα τα κύτταρα παρέμεναν συγχρονισμένα. Ο Partch προκάλεσε τότε ορισμένα από αυτά τα κύτταρα να παράγουν PASD1. Σε αυτά τα κελιά, η λάμψη έγινε περισσότερο ταλάντευση παρά κύμα - οι κορυφές χαμηλές και οι γούρνες ρηχές - και πολύ σύντομα έσβησε. Τα κύτταρα δεν μπορούσαν να διατηρήσουν τον ρυθμό τους.

Η ομάδα εξακολουθεί να εργάζεται για να εντοπίσει ακριβώς πώς το PASD1 καλεί τη διακοπή της ποδηλασίας των κυττάρων. Αλλά ένα συγκεκριμένο μέρος της πρωτεΐνης τους δίνει μια υπόδειξη. Αυτό το τμήμα του PASD1 μοιάζει με ένα μέρος του CLOCK που είναι απολύτως απαραίτητο για τους κιρκάδιους ρυθμούς. «Αλλά κανείς μέχρι σήμερα δεν ξέρει ακριβώς τι κάνει», είπε ο Partch. Ελπίζει ότι κατανοώντας πώς λειτουργεί το βασικό κομμάτι του PASD1 — ίσως, για παράδειγμα, να συνδέεται με το ίδιο το BMAL1 και να αποτρέπει το CLOCK από το να το κάνει — μπορούν να μάθουν τον ρόλο αυτού του βασικού κομματιού του CLOCK.

Μέχρι στιγμής, το έργο έχει επιβεβαιώσει την αρχική ιδέα του Partch ότι το PASD1 θα σταματούσε το ρολόι. Και υποδηλώνει ότι στους ιστούς όπου υπάρχει το PASD1, είναι μέρος του λόγου για τον οποίο τα κύτταρα δεν ταλαντώνονται. Αυτό το εύρημα ανοίγει την πόρτα σε βαθύτερα ερωτήματα:Με το ρολόι να κατευθύνει τόσες πολλές πτυχές της κυτταρικής συμπεριφοράς και με μεταλλάξεις στα γονίδια του ρολογιού που οδηγούν σε ασθένειες - έχουν υποστεί καρκίνο και μεταβολικές διαταραχές - γιατί ορισμένοι τύποι κυττάρων δεν διαθέτουν ρολόι ή έχετε ένα εξασθενημένο;

«Φαίνεται ότι υπάρχει κάποια πραγματικά ενδιαφέρουσα και ακόμα ανεξερεύνητη σύνδεση μεταξύ κάποιας τέλειας πολυδυναμίας», που σημαίνει την κυτταρική ικανότητα να εξελίσσεται σε οποιονδήποτε τύπο κυττάρου, «και να λειτουργεί ένα ρολόι», είπε ο Partch. Αφηγείται πειράματα από το εργαστήριο του Kazuhiro Yagita, στα οποία εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα ποντικού προωθούνται στην ανάπτυξη. «Στην αρχή, είναι σαν έλα, έλα, χωρίς τικ, χωρίς τικ… και μετά, σε κάποιο σημείο στη διαφοροποίηση αυτών των κυττάρων, το ρολόι ανάβει». Όταν η διαδικασία αντιστραφεί, το ρολόι σβήνει.

Η έλλειψη ρολογιού στα βλαστοκύτταρα μπορεί να οφείλεται στο ότι τα ακριβή γονίδια που ελέγχονται από το ρολόι διαφέρουν τόσο πολύ από ιστό σε ιστό, εικάζει ο Partch. Εργασίες από το εργαστήριο του Charles Weitz έδειξε ότι οι ιστοί του ήπατος και της καρδιάς μοιράζονται μόνο το 8 έως 10 τοις εκατό των γονιδίων που ταλαντώνονται καθημερινά, για παράδειγμα. «[τα βλαστοκύτταρα] πρέπει να είναι τα πάντα και τίποτα ταυτόχρονα», είπε ο Παρτς. «Ίσως σε ένα κελί που δεν ξέρει ακόμα τι είναι, δεν είναι ιδανικό» να έχεις ρολόι. Είναι μια ιδέα που θα μπορούσε να περιλαμβάνει τους όρχεις, όπου τα ώριμα σπερματοζωάρια είναι πολύ περισσότερα από τα πρόδρομα βλαστοκύτταρα και όπου το PASD1 έχει εντοπιστεί. Δεν έχει ακόμη αναζητήσει το PASD1 σε άλλα βλαστοκύτταρα.

Στους καρκίνους, το άλλο γνωστό στέκι της πρωτεΐνης, οι λόγοι για την παρουσία της είναι πιθανό να είναι διαφορετικοί. «Μπορεί να είναι ο λόγος που το ρολόι δεν λειτουργεί στους περισσότερους συμπαγείς όγκους», είπε ο Hogenesch, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. «Αν είσαι όγκος και θέλεις να συνεχίσεις να χωρίζεις και να χωρίζεις και να χωρίζεις, ίσως δεν θέλεις να περιοριστείς στη διαίρεση κάποια στιγμή της ημέρας. Ίσως υπάρχει ένα εξελικτικό πλεονέκτημα -τουλάχιστον στους όγκους- να διαταράσσεται το ρολόι, ώστε να μπορούν να διαιρούνται όποτε έχουν επαρκείς πόρους αντί να ωθούνται και να διαχωρίζονται σε μια συγκεκριμένη ώρα της ημέρας». Η ομάδα του Partch διαπίστωσε ότι η παρέμβαση στην παραγωγή του PASD1 σε δύο καρκινικές κυτταρικές σειρές έκανε τις ταλαντώσεις τους πιο δυνατές και πιο κανονικές. Αυτό υποδηλώνει ότι η μελλοντική εργασία θα πρέπει να εξετάσει εάν η κατάρριψη του PASD1 μπορεί επίσης να περιορίσει την αναπαραγωγή εκτός ελέγχου των καρκινικών κυττάρων.

Τελικά, η έρευνα θα πρέπει να φωτίσει κάτι πιο θεμελιώδες. «Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το PASD1 παρεμβαίνει στη λειτουργία του ρολογιού μας επιτρέπει να γνωρίζουμε πώς λειτουργεί το ρολόι», είπε ο Partch. Αυτή και η ομάδα της συνειδητοποιούν επίσης ότι ακριβώς όπως το ρολόι επηρεάζει πολύ περισσότερες διαδικασίες από ό, τι ήταν αρχικά εμφανές, το PASD1 μπορεί να κάνει περισσότερα από απλώς να παρεμβαίνει στο CLOCK και το BMAL1. Αλλά αυτό το έργο θα έρθει, με τον καιρό.