Исследование генетических мутаций, влияющих на циркадные ритмы, проведенное Массачусетским университетом в Амхерсте, дает новое представление о цикле отдыха-бодрствования и предоставляет новую модель для изучения заболеваний человека и, в конечном счете, разработки методов лечения.

Сбои во внутренних часах организма, которые координируют биохимические, физиологические и поведенческие процессы, связаны с целым рядом заболеваний, включая рак, сердечно—сосудистые заболевания и восприимчивость к инфекциям, а также повышенный риск несчастных случаев. Распространенными нарушениями циркадных ритмов являются смена часовых поясов и сменная работа, которую выполняют около 30 миллионов человек в США.

"Мы изучаем две мутации, обе из которых влияют на нашу способность реагировать на изменения светового цикла", - говорит нейробиолог Эрик Биттман, почетный профессор биологии. "Оба они ускоряют время. Они показывают, насколько мы уязвимы перед сбоями в графике "свет: тьма"."

У млекопитающих циркадные ритмы генерируются внутри организма главным кардиостимулятором в супрахиазматическом ядре гипоталамуса в головном мозге. Кроме того, каждая клетка в организме имеет свои собственные циркадные часы, которые координирует главный кардиостимулятор. В нормальной, светлой, темной и колеблющейся среде циркадные часы создают 24-часовые циклы. Однако в постоянных условиях, например, когда хомяков изучают в темноте, ритмы генерируют циклы, период которых больше или короче 24 часов.

"Это показывает нам, что существует какой-то внутренний механизм, который генерирует ритмичность, и что животные используют сигналы из окружающей среды, самым мощным из которых является цикл "свет: темнота", чтобы синхронизировать его ровно до 24 часов", - говорит Биттман.

В предыдущем исследовании Биттман и его команда идентифицировали рецессивную мутацию, которую они называют duper, как дефект в гене циркадного регулятора криптохрома 1 (CRY1) сирийских хомяков. Улучшив черновик генома хомяка с помощью быстрого картирования гомозиготности, они создали современную генетическую исследовательскую модель для изучения заболеваний человека.

В последующей статье, опубликованной недавно в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследовательская группа фокусируется на эффектах duper у генетически измененных хомяков. Ученые идентифицируют ранее неизвестные функции CRY1 в циркадном увлечении, которое представляет собой синхронизацию биологических часов с внешними сигналами, и сердечных заболеваниях.

"Duper ускоряет работу часов в постоянных условиях и позволяет им смещаться на целых 180 градусов в ответ даже на короткий световой импульс", - объясняет Биттман. "Мы подозреваем, что это может иметь отношение к пониманию последствий смены часовых поясов и сменной работы".

Органы тела сбрасывают свои часы с разной скоростью после нарушения циркадного ритма. Считается, что это временное смещение вызывает неблагоприятные последствия для здоровья, связанные со сменной работой. "Почти все наши физиологические процессы ритмичны", - говорит Биттман.

Исследователи обнаружили, что циркадное повторное вовлечение ускоряется у хомяков-мутантов, независимо от ускорения хода часов. Стремясь лучше понять последствия нарушения циркадных ритмов для здоровья, исследователи изучили влияние пупер-ритма и фазовых сдвигов на модели сердечных заболеваний у хомяков, которые, как известно, усугубляются фазовыми сдвигами.

Имитация смены часовых поясов в виде восьмичасовых фазовых сдвигов каждую вторую неделю сократила продолжительность жизни хомяков с кардиомиопатией. Однако укороченная продолжительность жизни была обращена вспять у пупер-хомяков, поскольку мутация ускорила их адаптацию к смене циклов свет:темнота. Биттман говорит, что полученные результаты имеют значение для точного определения путей, участвующих в биологических часах человека.

"Для людей с сменой часовых поясов или миллионов сменных рабочих могут потребоваться дни, а иногда и недели, чтобы тело — различные органы — вернулись к своим нормальным временным отношениям", - говорит он. Многие из нас нарушают свой циркадный ритм, когда поздно вечером мы подвергаемся воздействию света, например, когда смотрим на экраны мобильных телефонов и компьютеров. "Это может занять пару недель, пока ваш мозг не установит правильные отношения с вашей печенью и почками", - добавляет Биттман.

Исследования показывают, что все мы должны помнить о том, как окружающая среда влияет на наши биологические часы. В частности, больницы должны быть чувствительны к времени включения света и темноты в палатах пациентов. "Нам нужно обратить внимание на временную взаимосвязь между органами и между главными часами и мозгом, а также на то, как они регулируют часы в мозге, а также в периферических органах, и быть чувствительными к свету: темная среда", - говорит Биттман.

Кроме того, понимание ритмов работы органов является решающим аспектом при выборе времени медицинского лечения. "Очень много лекарств, которые вводятся, более эффективны в одно время суток, чем в другое, потому что циркадные часы регулируют все эти метаболические пути, на которые на самом деле нацелены эти лекарства", - говорит Биттман.

Текущие исследования будут сосредоточены на выявлении основных механизмов биологических часов и их роли в развитии заболеваний.