Обнаружены биологические часы-хронометр организма — когда они выходят из строя, развитие человека останавливается

Можно представить поезд, стоящий на станции. Пассажиры сели в него, проводники проверяют билеты, всё готово к отправлению. Но если часы машиниста не подают сигнал к отправлению, двери остаются открытыми, свисток не свистит, поезд не покидает платформу. По аналогии с этой ситуацией проблема может возникнуть и внутри живых организмов, когда нарушается график развития. Также, как часы машиниста задерживают поездку, нарушение внутреннего режима организма может препятствовать нормальному росту и созреванию.

Ученые-биологи смогли идентифицировать главный механизм биологических часов развития у червя C. elegans. Это открытие помогает объяснить, почему клетки точно знают, когда активировать ключевые генетические программы во время роста и развития. В свою очередь, результаты исследования планируется использовать для изучения развития человека и генетических заболеваний. 

Предыдущие работы тех же исследователей показали, что развитие C. elegans обусловлено всплесками (импульсами) генной активности. Оставалось неясным, как эти импульсы синхронизируются с такой точностью.

Новое исследование показывает, что два уже известных ученым белка, MYRF-1 и LIN-42, образуют цепь обратной связи, которая действует как центральные часы развития. Вместе они определяют, когда начинается каждый импульс экспрессии генов и как долго он длится.

Это первый пример биологических часов, необходимых для воспроизведения конечной последовательности событий, а не для непрерывного повторения. Это центральные часы для всех клеток организма. Они отвечают за координацию конечной последовательности импульсов экспрессии генов, которые должны происходить только один раз и в определенной последовательности для правильного развития. Это как храповой механизм. Он включает и выключает гены несколько раз во время развития, но в конечном итоге работает только в одном направлении.

Чтобы выяснить, как работает система, команда ученых объединила традиционные эксперименты в области молекулярной биологии с секвенированием ДНК, секвенированием белков и инструментом искусственного интеллекта.

Результаты исследований показали, что MYRF-1 играет несколько важных ролей в процессе развития. Этот белок помогает запускать каждую новую волну генной активности, а также необходим для контрольной точки, которая отмечает завершение каждой стадии развития. Как только начинается импульс экспрессии гена, MYRF-1 активирует LIN-42. Затем LIN-42 регулирует силу и продолжительность этого импульса.

Когда исследователи заблокировали MYRF-1, весь процесс развития нарушился, что продемонстрировало, насколько важен этот белок для поддержания нормального роста. То есть MYRF-1 является частью главного регуляторного механизма для всех клеток, но он также выступает в роли создателя ключей и главного ключа для каждого этапа роста. Без правильного ключа для каждого этапа развитие заходит в тупик и не может продолжаться.

В настоящее время ученые изучают физическое взаимодействие белков MYRF-1 и LIN-42, а также определяют, взаимодействуют ли отдельные клеточные часы друг с другом в процессе развития. Понимание того, как эти системы синхронизации остаются скоординированными, может дать важные сведения о клеточном росте, дифференциации и ходе развития. Схема MYRF-1/LIN-42 работает во всех клетках. И, судя по нормальному развитию, все эти независимые клеточные часы, похоже, синхронизированы. Но общаются ли они друг с другом?

Ответ на этот вопрос в конечном итоге поможет лучше понять нарушения развития и природу генетических заболеваний в человеческом организме. Если понять, как синхронизируются биологические часы развития, можно разобраться, что происходит, когда эти системы дают сбой.

Подобно тому, как поезд не может отправиться со станции без соответствующего сигнала, здоровое развитие зависит от точного соблюдения временных рамок. Исследователи считают, что им удалось выявить один из ключевых механизмов, обеспечивающих бесперебойное протекание этого процесса.