Отдельные клетки биологических часов могут отсчитывать суточное время, но ненадежны

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе продемонстрировали, что отдельные нейроны, изолированные из супрахиазматического ядра (SCN) — главных биологических часов мозга, — способны самостоятельно генерировать суточные (циркадные) ритмы.

Однако поодиночке они ненадежны: нейроны выходят из синхронизации и капризно прекращают или возобновляют колебания.

SCN размером около одного квадратного миллиметра содержит примерно 20 000 нейронов. Эти клетки обладают молекулярным механизмом для генерации суточных ритмов в экспрессии генов и электрической активности. Но по отдельности они «небрежны» и должны взаимодействовать друг с другом, чтобы установить согласованный 24-часовой ритм.

Именно эта «небрежность», вероятно, позволяет часам быть гибкими: адаптироваться к местному времени при смене часовых поясов и изменять циклы сна в зависимости от сезона.

Исследование опубликовано на неделе 7 сентября в онлайн-ранней версии Proceedings of the National Academy of Sciences.

Как уловили ритм

Нейроны SCN мышей, генетически модифицированные для свечения при экспрессии часового гена Period 2, изолировали и выращивали на чашке Петри. Их ритмически пульсирующее свечение регистрировала сверхчувствительная камера.

Записи показали, что все клетки SCN, по-видимому, способны поддерживать 24-часовой ритм — специальных клеток-водителей ритма нет. Но они делают это не постоянно. Нейроны, производящие разные нейрохимические вещества, демонстрируют циркадные ритмы, и ни один тип не был надежнее других.

«Отдельные клетки иногда могут быть очень устойчивыми и ритмичными, но большую часть времени они прекращают или теряют ритм», — говорит аспирант Алексис Уэбб. — Похоже, сетевая структура SCN важна для стабилизации этих небрежных внутренних ритмов».

Для проверки роли взаимодействия клеток использовали токсин TTX, который блокирует межклеточную коммуникацию. После смывания и повторного добавления TTX поведение клеток менялось: некоторые переставали колебаться, другие, наоборот, начинали.

Парадоксально, но именно «небрежность» часов делает их такими точными.

«SCN — это главные часы, которые синхронизируют другие биологические часы, например, в печени или легких. Эти периферические часы могут отсчитывать 24-часовое время, но недолго», — говорит Эрик Херцог. — «Поскольку SCN устроен иначе, он может самоподдерживаться — продолжать тикать, как хорошие часы Timex».

Сейчас исследователи сосредоточены на изучении связей, которые помогают синхронизировать и стабилизировать эти биологические осцилляторы.

Источник: Washington University in St. Louis