Биологические ритмы встречаются в природе повсеместно, от биения сердца до ритмов цветущих растений. Эта ритмичность в ряде случаев определяется колебаниями активности белков, присутствующих в наших клетках, которые маркируют ритмы управляемых ими процессов. Двумя основными клеточными генераторами являются так называемые циркадные часы и клеточный цикл. Циркадные часы, получившие в прошлом году Нобелевскую премию по физиологии и медицине, отвечают за генерацию колебаний биологических процессов в координации с дневным и ночным циклом и связанными с ним изменениями света и температуры. В свою очередь, клеточный цикл отвечает за деление и рост клеток. Если клеточный цикл не работает должным образом, последствия для организмов очень драматичны, наиболее известным из которых является развитие рака. Поэтому клеточный цикл должен быть очень жестко отрегулирован, чтобы избежать возможного сбоя.
Теперь исследовательская группа из Центра исследований в области сельскохозяйственной геномики (CRAG) под руководством исследователя CSIC Паломы Мас впервые показала у растений, что циркадные часы контролируют скорость клетки. цикла и, следовательно, регулирует деление и рост клеток синхронно с дневными и ночными циклами.«Мы показали, что циркадные часы тесно связаны между собой и определяют время клеточного цикла у растений», - объясняет Палома Мас, главный исследователь исследования.
Увеличение белка TOC1 замедляет как циркадные часы, так и деление клеток
Открытие, опубликованное на этой неделе в журнале Developmental Cell, было сделано с использованием модельного растения Arabidopsis thaliana. Команда CRAG использовала модифицированные растения, в которых циркадные часы идут медленнее из-за повышенного и постоянного накопления TOC1, важного компонента циркадных часов растений. Их исследования показали, что эти растения и их листья были меньше, чем обычно. «Когда мы подсчитали количество клеток в листьях растений, которые сверхэкспрессируют TOC1, мы увидели, что клеток было меньше, что свидетельствует о том, что, изменяя циркадные часы, мы также изменяли скорость клеточного деления», - объясняет Хорхе Фунг, до -докторант и первый автор работы.
Кроме того, исследовательская группа CRAG наблюдала противоположный эффект, уменьшая количество TOC1: «не только циркадные часы идут быстрее, когда меньше TOC1, но и ускоряется клеточный цикл», - говорит Палома Мас. Таким образом, авторы показывают, что циркадные часы задают темп клеточного цикла.
TOC1 репрессирует важный ген клеточного цикла
Чтобы выяснить, как циркадные часы контролируют клеточный цикл, исследователи проанализировали продолжительность каждой фазы клеточного цикла в листьях растений, которые сверхэкспрессируют TOC1, и сравнили ее с контрольными растениями. Они обнаружили, что растения с более длинным циркадным циклом проводили больше часов в фазе G1 клеточного цикла. «Клетки растений со сверхэкспрессией TOC1 дольше остаются в фазе G1, не вступая в фазу S в нужное время», - говорит Хорхе Фунг.
Анализируя экспрессию генов клеточного цикла в листьях арабидопсиса, исследователи обнаружили, что некоторые из этих генов изменили колебания у растений с высоким накоплением TOC1. В частности, было совершенно очевидно, что суточный пик экспрессии гена CDC6 был полностью потерян вследствие повышенной активности TOC1. «CDC6 является ключевым белком в клеточном цикле, особенно во время удвоения ДНК, которое происходит в фазе S», - отмечает Палома Мас.
Дальнейшие эксперименты показали, что TOC1 связывается с промотором гена CDC6, подавляя его экспрессию. «Эти результаты демонстрируют, что молекулярный механизм, с помощью которого циркадные часы регулируют клеточный цикл, зависит от репрессивной функции TOC1 на CDC6», - объясняет Палома Мас. «Это новое открытие среди растений», - добавляет она.
Изменения функции циркадных часов влияют на развитие опухолей
Наконец, исследователи выдвинули гипотезу о том, что если циркадные часы контролируют время клеточного цикла, они могут также контролировать развитие опухолей, которые возникают, когда клетки размножаются бесконтрольно. Чтобы проверить эту идею, команда CRAG заразила растения арабидопсиса бактерией, вызывающей образование опухолей, и обнаружила, что по сравнению с нормальными растениями рост опухоли задерживается у растений с повышенной экспрессией TOC1. Таким образом, опухоли росли медленнее у растений с медленными часами.
Очевидно, что знания о способах контроля роста и продуктивности растений представляют важный агрономический интерес. Кроме того, это открытие открывает возможности для будущих исследований, направленных на выявление механизмов, замедляющих циркадные часы, в качестве возможного терапевтического инструмента для задержки развития опухолей у людей.