Если циркадный ритм подобен оркестру - объединенному выражению ритмов миллионов клеток - дирижером или, по крайней мере, дирижером может служить обычное химическое вещество.
Химическое вещество - перекись водорода (H2O2), активный ингредиент безопасного для цвета отбеливателя. Новое исследование, проведенное биологами Университета Южной Калифорнии, предполагает, что перекись водорода, вырабатываемая клетками всех животных, может служить сигналом для активной и покоящей фаз живых существ.
Исследование, опубликованное в журнале PLoS ONE, показывает, что перекись водорода, которую давали дрозофилам, оказывает сильное влияние на их ежедневные ритмы и уровень активности.
H2O2 может функционировать как системный сигнал, с помощью которого ритмы регулируются внутри клеток и между клетками», - сказал ведущий автор Джон Тауэр, адъюнкт-профессор молекулярной и вычислительной биологии в USC College.
Большинство людей знакомы с концепцией циркадного ритма, который управляет сном и бодрствованием. Но это не единственный циркадный ритм в организме.
Многие органы и ткани в организме имеют свои собственные независимые циркадные ритмы, и они также взаимодействуют для координации своих ритмов.
Исследование Тауэра предполагает наличие связи между метаболизмом - производством энергии митохондриями, часто описываемыми как энергетические фабрики внутри клеток - и суточными ритмами животных.
Митохондрии производят перекись водорода как побочный продукт сгорания кислорода, что делает это химическое вещество кандидатом в сигнальные молекулы.
«Это логичный способ связать ритмы с метаболизмом», - сказал Тауэр.
"Мы много знаем о том, как циркадные ритмы регулируются в определенных клетках. Однако у нас очень мало информации о том, какие сигналы координируют циркадные ритмы и как эти ритмы связаны между метаболизмом и поведением."
Чтобы ритмы даже двух клеток согласовались, между ними должен пройти какой-то сигнал.
Исследовательская группа Тауэра решила найти сигнал, исследуя действие фермента в митохондриях, который превращает токсичные побочные продукты процесса сгорания в организме в перекись водорода, которая сама по себе является вредным, но менее токсичным веществом, которое позже разрушают другие защитные механизмы. вниз дальше.
Тауэр и его команда заметили, что сверхэкспрессия фермента, известного как супероксиддисмутаза (СОД), повышает уровень активности плодовых мушек и даже увеличивает продолжительность жизни некоторых генетически модифицированных штаммов.
Тауэр подозревал, что перекись водорода была ключевым ингредиентом в действии SOD.
"Перекись водорода - отличный кандидат на роль сигнальной молекулы, которая будет участвовать в ритмах и поведении. Это наиболее стабильная и легко диффундирующая из активных форм кислорода (побочные продукты сгорания), но никто не продемонстрировал роль для него."
В качестве теста группа Тауэра вводила перекись водорода непосредственно плодовым мушкам путем кормления и инъекций.
Исследователи наблюдали аналогичные эффекты от прямого введения перекиси водорода и сверхэкспрессии фермента SOD.
Обе стратегии повысили уровень активности взрослых мух. Длительное прямое лечение перекисью водорода подавляло суточные ритмы, в то время как гиперэкспрессия СОД изменяла эти ритмы.
Тауэр объяснил, что он не ожидал идентичных результатов от прямого лечения по сравнению с генетической гиперэкспрессией.
«Я думаю, что это слишком грубое вмешательство, чтобы кормить их или вводить им лекарство», - сказал он, потому что эти эффекты не будут ритмичными, тогда как производство перекиси водорода митохондриями и Ожидается, что СОД будет ритмичной и будет соответствовать ритму метаболизма.
Тем не менее, сходство в реакциях мух на прямое лечение и сверхэкспрессию SOD навело исследователей на мысль, что перекись водорода является решающим химическим веществом.
«Для нас это очень захватывающий результат, что наши данные теперь начинают указывать на перекись водорода как на важную сигнальную молекулу для связи метаболизма с поведением и ритмами у животных», - сказал Тауэр.
Перекись водорода будет управлять ритмами внутри каждой клетки, а также между клетками, добавил Тауэр.
Каждая клетка чередуется между метаболической фазой, в которой она сжигает кислород для получения энергии, и фазой детоксикации, в которой клетка расщепляет вредные побочные продукты сгорания.
Эти ритмы должны сочетаться с энергопродуцирующей активностью митохондрий.
«Поскольку перекись водорода вырабатывается митохондриями как продукт метаболизма, она является отличным кандидатом на соответствующий сигнал, который может модулировать эти клеточные ритмы», - сказал Тауэр.
Группе Тауэра удалось точно сопоставить активность мух и концентрацию перекиси водорода с помощью уникальной трехмерной системы отслеживания движения, разработанной первым автором и докторантом Дхрувом Гровером.
Докторанты Дэниел Форд, Николас Хо и Айсен Эрдем, а также студент Кристофер Браун также внесли свой вклад в исследование. Саймон Таваре, профессор математики, молекулярной и вычислительной биологии в колледже USC, разработал и руководил статистическим анализом.