Гены настраиваются по биологическим часам

Молекулярный механизм, который обеспечивает изменение суточной активности организма, оказался одинаковым у растений и животных.

Циркадные ритмы позволяют организмам изменять жизнедеятельность в зависимости от времени суток. Но все процессы в организме запускаются генами. Значит, гены должны работать по биологическим часам. Как это происходит, Марчело Яновский (Marcelo Yanovsky, Fundacion Instituto Leloir, Буэнос-Айрес, Артентина) и его коллеги из Университета Чикаго (University of Chicago) в Иллинойсе выяснили на примере растения резуховидки Таля (арабидопсиса), а также мухи дрозофилы.

Молекулярные ножницы кроят разные белки

Ключевую роль в работе клетки играет фермент под названием протеинаргининметилтрансфераза 5 (protein arginine methyl transferase 5 -- PRMT5). Его роль состоит в переносе метильных групп на остатки аргинина в белках, которые осуществляют так называемый альтернативный сплайсинг. Это удаление различных участков (интронов) из только что синтезированной РНК (ее называют пре-мРНК). В зависимости от того, какие интроны вырезаны, с одного и того же гена получаются разные мРНК, кодирующие синтез разных белков.

Биологи выяснили, что работа белка PRMT5 подчиняется циркадным ритмам. Дело в том, что у арабидопсиса суточные колебания регулируют рост: стебель растет только на свету, а в темное время суток перестает. Также подчиняется ритмам наклон листьев: на свету листья поднимаются, чтобы воспринимать солнечный свет под прямым углом, а в темноте опускаются. И когда исследователи получили мутантные по гену prmt5 растения, циркадные ритмы резуховидок сбились: арабидопсисы усиленно росли и днем, и ночью. И не следовали листьями за солнцем.

Как гены сверяют работу с часами

Переменная активность гена prmt5, как установили биологи, влияет и на другие гены, которые, как уже было известно, настраивают жизнедеятельность растения по биологическим часам. Эти гены исследователи выявили из массы других, используя метод биочипов. Действует PRMT5, естественно, через механизм альтернативного сплайсинга. В зависимости от времени суток он по-разному метилирует ключевые белки, что приводит к вырезанию разных кусочков из пре-мРНК и синтезу с нее разных конечных продуктов. В итоге днем и ночью одни и те же гены работают по-разному.

В наибольшей степени PRMT5 изменял альтернативный сплайсинг гена prr9, в результате чего получались разные мРНК типа А и В, одна была нужна растению днем, другая ночью. В мутантных проростках арабидопсиса этих изменений не наблюдалось.

Муха как капуста

Сходные результаты биологи получили и на совершенно другом объекте – мухе дрозофиле. У дрозофилы суточным ритмам подчинена активность и режим питания. Эти ритмы у мух с мутантным геном prmt5 и сбились. У мутантов изменилась работа гена per, который, как давно известно, обеспечивает периодичность жизненных процессов дрозофилы. При помощи биочипа ученые исследовали влияние PRMT5 на работу этого и других «часовых» генов дрозофилы и нашли большое количество интронов, которые вырезаются (либо нет) в зависимости от действия PRMT5. То есть, и здесь они обнаружили влияние PRMT5 на альтернативный сплайсинг.

Так как родство между арабидопсисом и дрозофилой весьма отдаленное, ученые предполагают, что сходные механизмы действия биологических часов возникли у них эволюционно независимо.

Статья о механизме работы биологических часов опубликована в последнем выпуске Nature.