В декабре Нобелевская премия по медицине и физиологии будет присуждена за выявление генов, управляющих биологическими часами. Почетные ученые исследовали плодовых мушек, чтобы исследовать молекулярную основу биологических ритмов. Биохимик, профессор Дороти Стайгер из Билефельдского университета, уже двадцать лет занимается исследованием биологических часов растений. Ее команда опубликовала новое исследование в исследовательском журнале Genome Biology. Один вывод: не только биологические часы, но и белок, действующий как «вспомогательные часы», обеспечивают выполнение повторяющихся действий в клетках.
«Биологические часы гарантируют, что растение синхронизирует свой метаболизм в соответствии с окружающей средой, - говорит Дороти Стайгер, - что позволяет ему напрямую использовать первые лучи солнечного света для фотосинтеза, например, для производства углеводов».
Как показали лауреаты Нобелевской премии, отдельные гены в геноме растений, животных и человека управляют биологическими часами. Молекулы-мессенджеры - матричные РНК - вырабатываются этими генами в определенное время суток. Эти молекулы запускают производство часовых белков, которые, в свою очередь, достигают максимальной концентрации в определенное время суток. Белки-часы включают и выключают собственные гены с интервалом в 24 часа. Поэтому они несут ответственность за свой собственный ритм. Белки часов также гарантируют, что другие гены в клетке будут активны в наиболее подходящее время суток. Они инициируют разные процессы в определенное время суток: от раскрытия цветков и защиты от патогенов у растений до ритма сна-бодрствования у человека.
Теперь Стайгер и ее команда подробно изучили другую часть биологических часов, используя модель растения Arabidopsis thaliana (кресс-салат). Они обнаружили «вспомогательные часы» - белок под названием «AtGRP7». «Интересно, что белок AtGRP7 ведет себя почти как часовой белок - он влияет на собственный 24-часовой ритм», - говорит доктор Тино Кёстер. «В результате количество белка AtGRP7 увеличивается в течение дня и снова падает ночью». Кестер и его коллега, доктор Катя Мейер, являются ведущими авторами исследования.
По мнению исследователей, за это отвечает суточный повторяющийся цикл, который можно разделить на три фазы. «На первом этапе белок связывается со своей собственной матричной РНК, вызывая ее деградацию ночью. Во второй фазе уменьшение матричной РНК вызывает образование меньшего количества белка AtGRP7. На третьей фазе уменьшенное количество белка гарантирует, что новая информационная РНК может снова сформироваться. «Это снова начало цикла», - говорит Катя Мейер, которая только что защитила докторскую диссертацию в исследовательской группе Staiger «Биология РНК и молекулярная физиология». Научная работа Кати Мейер и Тино Кёстер в течение нескольких лет финансировалась Немецким фондом академических стипендий.
Новый результат исследования заключается в том, что белок не только связывается со своей собственной матричной РНК, но также способен влиять на множество других матричных РНК в клетке. Для этого команда Штайгера и их партнеры по сотрудничеству из Университета Галле-Виттенберг должны были найти все матричные РНК в клетках растений, на которых находится белок. Для этого биологи подвергали растения облучению ультрафиолетом около двух минут. Это приводит к прочному связыванию информационной РНК с белком. Затем они выделили белок и идентифицировали связанные РНК с помощью высокопроизводительного секвенирования. Этот новый метод называется iCLIP. Первоначально он был разработан для культур клеток животных. «Для нового исследования мы были первой в мире исследовательской группой, которая применила метод iCLIP к целым растениям», - говорит Дороти Стейгер.
На следующем этапе исследователи изучили, что белок делает со связанными информационными РНК в клетке. Для этого анализа исследователи искусственно увеличили количество белка AtGRP7 в нескольких растениях и изучили влияние на информационные РНК. «Нам удалось показать, что повышенное количество AtGRP7 может нарушать ритм некоторых информационных РНК. Это означает, что AtGRP7 действует как вспомогательные часы, являясь посредником между внутренними часами и информационными РНК в зависимости от времени суток», - говорит Катя Мейер..
Исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом (DFG) и служит фундаментальным исследованиям.«Наша цель - понять основные взаимосвязи в природе», - говорит Стайгер. «В этом случае мы узнаем, как биологические часы обеспечивают запуск дополнительных вспомогательных часов. И мы узнаем, какие стратегии используют растения для адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды».