Одним из важных свойств циркадных часов является реакция на световые сигналы, которая позволяет организмам вовлекаться в 24-часовой цикл свет-темнота на Земле. Было показано, что циркадные часы реагируют на световые сигналы в ночное время, тогда как они не реагируют на такие сигналы в дневное время.
Это верно даже тогда, когда организм находится в полной темноте; короткий световой импульс не изменяет время циркадных часов, когда время тела человека находится в дневное время. Период времени, в течение которого циркадные часы нечувствительны к световым сигналам, называется «мертвой зоной»."Предыдущие исследования показали, что наличие мертвой зоны повышает надежность часов. Однако механизм, лежащий в основе его генерации, неясен.
Исследователи из Университета Канадзавы использовали математическое моделирование и компьютерное моделирование, чтобы выяснить механизм, лежащий в основе образования мертвой зоны. У разных видов разные механизмы светового ответа. Например, в системе циркадных часов дрозофилы дрозофилы световые сигналы вызывают деградацию циркадного репрессорного белка.
Напротив, у млекопитающих световые сигналы воспринимаются глазами и вызывают экспрессию гена периода циркадных часов в SCN. Эти различия заставили исследователей из Университета Канадзавы задаться вопросом, являются ли механизмы образования мертвой зоны у этих двух видов общими или разными.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи использовали математическую модель под названием Модель Гудвина.
Эта модель была использована для описания петли отрицательной обратной связи в системе циркадных часов, рассматривая концентрации мРНК и белка как переменные. Численное моделирование продемонстрировало, что насыщение транскрипции мРНК Timeless вызывает образование дневной мертвой зоны в циркадных часах дрозофилы. В циркадных часах млекопитающих насыщение трансляции, а не транскрипции белка PERIOD создает мертвую зону. Компьютерное моделирование показало, что насыщение этих реакций сводит на нет действие световых сигналов только в дневное время.
Таким образом, насыщение синтеза белка-репрессора в петле отрицательной обратной связи, которая регулирует циркадные колебания, может быть консервативным механизмом для создания дневных мертвых зон среди различных видов.
Считается, что мертвая зона важна для надежного переноса циркадных часов в циклы свет-темнота. Настоящее исследование показывает, что в принципе даже отдельные нейроны могут реализовать мертвую зону.
Это открытие предполагает, что фундаментальные свойства циркадных часов определяются на уровне отдельных клеток.
Перемещение циркадных часов в циклы свет-темнота имеет фундаментальное значение для здоровья человека. Например, несоответствие между временем на часах тела и временем в местном районе может вызвать смену часовых поясов.
Таким образом, изучение реакции циркадных часов на световые сигналы важно для понимания одних из наиболее распространенных биологических часов на Земле, которые могут иметь медицинское применение.