Новые данные о внутренних часах плодовой мушки

Большинство живых организмов имеют внутренние часы, которые, помимо прочего, контролируют ритм сна и бодрствования. Этот внутренний ритм длится примерно сутки (циркадный), то есть около 24 часов, и регулируется с помощью различных часовых генов. Также происходит постоянная координация с такими факторами, как свет и температура, для синхронизации внутренних часов с внешним дневно-ночным ритмом. Команда под руководством нейробиолога профессора Ральфа Станевски из Мюнстерского университета продемонстрировала на плодовой мушке Drosophila melanogaster, что определённый ионный транспортный белок (KCC) играет роль в регуляции циркадных ритмов с помощью света.

Исследуемый ионный транспортный белок является частью молекулярной сигнальной каскада в определённых нейронах мозга. Предыстория такова: белок под названием Quasimodo участвует в регуляции внутренних часов мушки. Он является частью клеточной мембраны и помогает передавать световые сигналы как внешние регуляторы, запуская внутренний молекулярный регуляторный каскад. Quasimodo взаимодействует с котранспортёром натрия-калия-хлорида под названием NKCC. Его функция — транспортировать ионы хлорида в клетку. В новом исследовании, опубликованном в журнале Current Biology, учёные впервые изучили аналог NKCC — котранспортёр калия-хлорида KCC, который выводит ионы хлорида из клетки.

Баланс между этими двумя котранспортёрами определяет содержание хлорида в клетке. И это, в свою очередь, решающим образом влияет на функционирование внутренних часов: содержание хлорида определяет, как нейрон реагирует на нейромедиатор GABA. При высоком содержании хлорида GABA оказывает стимулирующее действие; при низком содержании он подавляет передачу сигналов через клетку. «Один и тот же сигнал может действовать как стимулятор или ингибитор», — объясняет ведущий автор Катарина Айк. «Предполагается, что это зависит, например, от времени суток — и это может объяснять разное поведение мухи днём и ночью». Активность котранспортёра регулируется двумя ферментами, киназами «Wnk» и «Fray». Исследователи также внимательно изучили эти две киназы.

«Интересно то, — говорит Айк, — что два котранспортёра NKCC и KCC, а также киназы Wnk и Fray являются — с эволюционной точки зрения — очень старыми белками, которые встречаются не только у мух, но и у млекопитающих. У млекопитающих уже было известно — но не у мух — что активность NKCC и его аналога играет важную роль во внутренних часах».

Результаты исследования в деталях:

• Команда продемонстрировала, что мухи, у которых один из трёх исследуемых влияющих факторов особенно активен или неактивен, демонстрируют аномальное ритмическое поведение при постоянном освещении. В норме у мух нет поведенческого ритма в условиях постоянного света, поскольку один важный белок молекулярных часов разрушается на свету, нарушая работу часов. «Из нашего эксперимента можно сделать вывод, что KCC, Wnk и Fray участвуют в сигнальном пути, через который световые стимулы передаются на внутренние часы», — объясняет Катарина Айк.

Помимо аномального ритмического поведения при постоянном свете, исследователи также заметили ещё одно заметное поведение у некоторых мух, которые подвергались длительному дневно-ночному циклу (16 часов света, восемь часов темноты): аномально высокую активность утром. Эта повышенная активность возникала только тогда, когда NKCC и Quasimodo присутствовали в меньшем количестве, чем обычно. «Результаты указывают на то, что исследуемые нами белки могут иметь функцию в адаптации циркадных часов к разным временам года с днями разной длины», — добавляет Айк. «У млекопитающих уже есть указания на это». Команда также впервые продемонстрировала, что ионный транспортный белок KCC может напрямую влиять на нейронный ответ на нейромедиатор GABA в рамках циркадных часов плодовой мушки.

Методология: Исследователи использовали комбинацию поведенческих экспериментов, электрофизиологии и современных генетических методов. С помощью клеточно-специфических генетических манипуляций они создали линии мух, в которых исследуемые белки были сверхэкспрессированы, подавлены или отсутствовали. Активность нейронов в мозге измерялась на так называемых крупных вентролатеральных часовых нейронах в мозге плодовой мушки.