Мутации в генах часовых белков превратили людей в «жаворонков»

Новое исследование молекулярных процессов, лежащих в основе функционирования биологических часов, объясняет, почему некоторые люди просыпаются очень рано. Определенные мутации сокращают длительность «внутренних суток» у таких людей, из-за чего длительность их циркадного цикла составляет около 20 часов. Статья, опубликованная в издании eLife, показывает, что «молекулярный переключатель» внутренних часов, на который влияют вышеупомянутые мутации, работает у самых разных видов живых существ — от плодовых мушек до приматов.

В своей работе ученые сосредоточились на мутациях в гене, который кодирует казеинкиназу CK1. Это фермент, который регулирует активность белка PER — важной для работы циркадных часов молекулы. Мутации в гене CK1 и их связь с нарушениями циркадных ритмов известны ученым уже давно, но механизмы их влияния оставались неясными.

«Мы обнаружили изящный молекулярный переключатель, который контролирует количество белков PER. Когда он работает правильно, он генерирует прекрасные 24-часовые колебания», — объясняет одна из авторов исследования Кэрри Партч. В основе этого переключателя лежит следующий процесс: казеинкиназа CK1 фосфорилирует белок PER, добавляя к нему остаток фосфорной кислоты. В зависимости от того, какой именно участок фосфорилирует фермент, измененный белок может или деградировать, или приобретать более стабильную конформацию.

При этом сам PER регулирует свое количество благодаря петле обратной связи: когда белок в большом количестве накапливается в ядре клетки, это приводит к временной блокировке его синтеза. Параллельно накопленный PER постепенно разрушается, и при снижении концентрации молекул этого вещества синтез возобновляется. Очевидно, что мутации, которые приводят к ускоренной деградации белка, заставляют наши внутренние часы спешить и сокращают длительность циркадного цикла.

Стабильность белков PER может быть вызвана как мутациями в гене CK1, так и мутациями в самих белках, которые приводят к нарушению связывания казеинкиназы с FASP-участком, фосфорилирование которого повышает устойчивость структуры PER. После присоединения остатка фосфорной кислоты этот участок блокирует активность CK1, не позволяя ферменту фосфорилировать «участок деградации» и нарушить стабильность белка PER.

«Его (FASP-участок. — Прим. ред.) можно сравнить с кнопкой паузы, которая предотвращает слишком быстрое расщепление белка PER, — поясняет Кэрри Партч. — Этот стабилизирующий регион задерживает ход часов, чтобы привести их в соответствие с 24-часовыми земными сутками». Понимание молекулярных процессов, которые лежат в основе сокращения длительность циркадных циклов, позволит разработать методы коррекции генетических нарушений, связанных с «молекулярным переключателем».