Чем выше температура, тем быстрее протекают физиологические процессы. Но есть и исключение: так называемые циркадные часы, которые регулируют цикл сна-бодрствования в организме. Ученых интересует вопрос, почему внутренние часы работают почти без изменений, несмотря на колебания температуры. Это явление известно как температурная компенсация. Исследования показывают, что этому способствуют различные молекулярные механизмы.

Группа биологов под руководством профессора Ральфа Станевски из Университета Мюнстера (Германия) и в сотрудничестве с сотрудниками Университета Далхаузи (Канада) и Университета Майнца (Германия) нашли важный фрагмент головоломки, дающий ответ на этот вопрос. Результаты их работы были опубликованы в журнале Current Biology.

Команда обнаружила точечную мутацию у плодовой мушки Drosophila melanogaster, которая приводит к температурно-зависимому удлинению периодов циркадных часов. Она расположена в центральном "часовом гене", известном как "период" (per). Мухи, имеющие мутацию perI530A, демонстрируют нормальный ритм сна-бодрствования продолжительностью 24 часа при температуре 18 градусов Цельсия. Напротив, при температуре 29 градусов Цельсия внутренние часы работают примерно на пять часов медленнее, то есть длятся 29 часов. Это удлинение периодов также влияет на экспрессию, другими словами, на активность гена периода в часовых нейронах мозга.

В норме соответствующий белок (PERIOD) постепенно изменяется химически в течение 24 часов - в частности, он фосфорилируется. После максимального фосфорилирования он деградирует. И здесь этот процесс обычно протекает одинаково при температуре от 18 до 29 градусов Цельсия, при которой активны плодовые мушки. Как показали исследователи, у мутанта perI530A фосфорилирование происходит нормальным образом при температуре 18 градусов Цельсия, но уменьшается при повышении температуры. Это приводит к стабилизации белка "PERIOD" при более теплых температурах.

Мутация, изученная командой, затрагивает так называемый сигнал ядерного экспорта (NES), который также встречается в такой форме в генах period млекопитающих и играет роль в транспортировке белков PERIOD из клеточного ядра. Ранее не было известно о биологической функции этого экспорта из клеточного ядра. Нынешнее исследование показывает, что мутация приводит к длительному сохранению белка PERIOD в клеточном ядре нейронов центральных часов - и опять же, только при более высоких температурах. "Поэтому мы предполагаем, - говорит Ральф Станевски, - что экспорт белка из клеточного ядра играет важную роль в температурной компенсации - по крайней мере, у плодовой мушки".

В своих исследованиях ученые использовали мутантов плодовой мушки с модификацией в гене period (perI530A), которые были получены с помощью современных методов молекулярной генетики (CRISPR/Cas9 мутагенез и гомологичная рекомбинация). Затем эти животные были протестированы на предмет различий в цикле сон-бодрствование и, как следствие, в их беговой активности в зависимости от температуры окружающей среды.

Используя различные методы, исследователи визуализировали гены часов и их активность в нейронах мозга. В частности, они использовали новый метод, называемый локально активируемой биолюминесценцией (LABL), который команда Мюнстера разработала в сотрудничестве с исследователями из Канады. Этот метод с использованием биолюминесценции позволяет измерять в живых мухах ритмическую экспрессию генов в нейронах-часах, которые составляют лишь часть всех нейронов мозга.