Генетичний механізм: як працює наш внутрішній годинник

Про внутрішні години чули всі, але мало хто знає про те, як вони влаштовані. Дві групи вчених зі США провели масштабні дослідження, щоб розібратися в тому, як працює наш годинник і який їх вплив на організм.

Протягом усього дня ми прислухаємося до «тікання» годин всередині нашого тіла. Саме воно пробуджує нас вранці і змушує відчувати сонливість вночі. Саме воно піднімає і опускає температуру нашого тіла в потрібний момент, регулює вироблення інсуліну та інших гормонів.

Внутрішній годинник організму, те саме тікання, яке ми відчуваємо, ще називають циркадними ритмами.

Ці ритми впливають навіть на наші думки і почуття. Психологи вивчають їх вплив на мозок людини, змушуючи волонтерів проходити когнітивні тести в різний час дня.

З’ясувалося, що ранок — це найкращий час для того, щоб виконувати завдання, що вимагають від мозку багатозадачності. Якщо вам необхідно утримувати відразу кілька пластів інформації в голові і обробляти ці дані оперативно, варто приступати до роботи на початку дня. А ось друга половина доби добре підходить для обробки простих і зрозумілих завдань.

Циркадні ритми мають величезний вплив і на тих, хто страждає від депресії або біполярного розладу. Люди з такими проблемами погано сплять і відчувають бажання випити протягом дня. Деякі пацієнти зі слабоумством відчувають особливий «ефект заходу сонця»: наприкінці дня стають агресивними або губляться в просторі і часі.

— Сон і цикли активності є найважливішою частиною психічних захворювань, — розповідає Худа Акіл (Huda Akil), нейробіолог з Мічиганського університету. Тому неврологи щосили намагаються зрозуміти, як працює наш внутрішній годинник і який вплив вони впливають на наш мозок. Але дослідники не можуть просто відкрити черепну коробку і цілодобово спостерігати за роботою клітин.

Кілька років тому Каліфорнійський університет пожертвував для досліджень мізки, які дбайливо зберігалися після смерті донорів. Деякі з них померли рано вранці, інші — у другій половині дня або вночі. Доктор Акіл і її колеги вирішили вивчити, чи відрізняється один мозок від іншого і чи залежить різниця від того, в який момент помер донор.

— Може, наша здогадка здасться вам простою, але чомусь ніхто не думав про це раніше, — каже доктор Акіл.

Вона та її колеги вибрали екземпляри мозку, отримані від 55 здорових людей, причиною смерті яких стала раптова подія, наприклад автомобільна аварія. З кожного мозку дослідники взяли зразки тканини тих часток, які відповідають за навчання, пам’ять і емоції.

У момент смерті донорів гени, що знаходяться в клітинах мозку, активно кодували білок. Завдяки тому, що мозок був швидко збережений, вчені мають можливість оцінити активність генів в хвилину смерті.

Більшість генів, перевірених дослідниками, не показали жодної закономірності в роботі протягом дня. Однак понад 1 000 генів демонструють добовий цикл активності. Мозок тих людей, які загинули в один і той же час дня, показав однакову роботу генів.

Моделі активності були практично ідентичними, причому настільки, що їх можна було використовувати як часову мітку. Визначити, в який момент загинула людина, можна було майже безпомилково, завдяки вимірюванню активності цих генів.

Тоді дослідники перевірили мізки тих донорів, які страждали від клінічної депресії. Тут тимчасова мітка була не просто збита: здавалося, що ці пацієнти жили чи то в Німеччині, чи то в Японії, але ніяк не в США.

Результати виконаної роботи були опубліковані в 2013 році. Дослідники з Піттсбурзького університету надихнулися ними і постаралися відтворити експеримент.

«Ми не могли раніше і подумати про подібне дослідження», — розповідає невролог Колін Мак-Кланг (Colleen McClung). Доктор Мак-Кланг і її колеги змогли перевірити 146 примірників мозку, отриманих завдяки донорській програмі університету. Результати експерименту були опубліковані зовсім недавно.

Але команді доктора Мак-Кланг вдалося не тільки повторити результати попереднього експерименту, а й отримати нові дані. Вони порівняли зразки активності генів у мозку молодих і старих людей і знайшли інтригуючу відмінність.

Вчені сподівалися знайти відповідь на питання: чому циркадні ритми людей змінюються в міру старіння? Адже, коли люди стають старшими, активність знижується, а ритми змінюються. Доктор Мак-Кланг виявила, що деякі з генів, які були найбільш активними в щоденних циклах, до 60 років переставали використовуватися.

Цілком можливо, що у деяких літніх людей перестає вироблятися білок, необхідний для роботи внутрішніх годинників.

Також дослідники з подивом виявили, що деякі гени включалися в активну повсякденну роботу тільки в старості. «Схоже, що мозок намагається компенсувати відключення одних генів роботою інших, активуючи» додаткові години «, — говорить доктор Мак-Кланг. Можливо, здатність мозку створювати резервні циркадні ритми — це спосіб захисту від нейродегенеративних захворювань.

Перемикання на запасний внутрішній годинник може використовуватися лікарями для лікування розладів, пов’язаних з циркадними ритмами. Зараз дослідники проводять експерименти з генами тварин і намагаються зрозуміти, як саме активізуються і відключаються гени внутрішніх годинників.

Іншими словами, вчені прислухаються до «тікання» і хочуть зрозуміти: що ж нам намагається сказати мозок?