«Это действительно важный технический ресурс для продвижения изучения циркадных ритмов», – говорит руководитель исследования Джозеф Такахаши, доктор философии.D., заведующий отделением нейробиологии Юго-западного медицинского центра UT, член Юго-Западного университета Питер О’Доннелл-младший. Brain Institute и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). "Вы можете использовать эти мыши для множества различных приложений."
Почти каждая клетка человека – и мышей – имеет внутренние циркадные часы, которые колеблются примерно в 24-часовом цикле. Эти клетки помогают диктовать не только голод и циклы сна, но и биологические функции, такие как иммунитет и метаболизм.
Нарушения циркадных часов связаны с заболеваниями, включая рак, диабет и болезнь Альцгеймера, а также с нарушениями сна. Ученым давно известно, что небольшая часть мозга, называемая супрахиазматическим ядром (SCN), объединяет информацию от глаз о циклах света и темноты в окружающей среде с главными часами тела. В свою очередь, SCN помогает поддерживать синхронизацию остальных клеток организма друг с другом.
«Что делает SCN особенным видом часов, так это то, что они надежны и гибки», – говорит Такахаши. "Это очень мощный кардиостимулятор, который не теряет счет времени, но в то же время может адаптироваться к сезонам, изменению продолжительности дня или перемещению между часовыми поясами."
Чтобы изучить циркадные часы как в SCN, так и в остальной части тела, исследовательская группа Такахаши ранее разработала мышь, у которой была биолюминесцентная версия PER2 – одного из ключевых циркадных белков, уровни которого колеблются в течение дня. Наблюдая за увеличением и уменьшением уровней биолюминесценции, исследователи смогли увидеть, как PER2 циркулирует по телам животных в течение дня.
Но белок присутствует почти в каждой части тела, что иногда затрудняет различение циркадных циклов между разными типами клеток, смешанными вместе в одной и той же ткани.
«Например, если вы наблюдаете срез мозга, почти каждая отдельная ячейка имеет сигнал PER2, поэтому вы не сможете действительно различить, откуда исходит какой-либо конкретный сигнал PER2», – говорит Такахаши.
В новой работе ученые решили эту проблему, обратившись к новой системе биолюминесценции, которая меняла цвет – с красного на зеленый – только в клетках, экспрессирующих определенный ген, известный как Cre. Затем исследователи могли сконструировать мышей так, чтобы Cre, который в природе не встречается в клетках мыши, присутствовал только в одном типе клеток за раз.
Чтобы проверить полезность этого подхода, Такахаши и его коллеги изучили два типа клеток, которые составляют SCN мозга – клетки аргинин-вазопрессина (AVP) и вазоактивные клетки кишечного полипептида (VIP). В прошлом ученые выдвинули гипотезу, что VIP-нейроны являются ключом к поддержанию синхронизации остальной части SCN.
Когда исследовательская группа изучила VIP-нейроны, экспрессирующие Cre только в этих клетках, так что PER2 светился зеленым в VIP-клетках, а в других местах красным – они обнаружили, что удаление циркадных генов из нейронов в целом мало влияет на циркадные ритмы VIP нейроны или остальная часть SCN. «Даже когда у VIP-нейронов больше не было работающих часов, остальная часть SCN вела себя практически так же», – объясняет Юнли Шань, Ph.D., научный сотрудник UTSW и ведущий автор исследования. По его словам, соседние клетки могли передавать сигнал VIP-нейронам, чтобы они синхронизировались с остальной частью SCN.
Однако, когда они повторили тот же эксперимент с нейронами AVP – удалив ключевые гены часов – не только сами нейроны AVP показали нарушенные ритмы, но и вся SCN перестала синхронно циклически вращаться в своем обычном 24-часовом ритме.
«Это показало нам, что часы в нейронах AVP действительно важны для синхронизации всей сети SCN», – говорит Шан. "Это удивительный результат и несколько противоречивый, поэтому мы надеемся, что он приведет к дальнейшим исследованиям нейронов AVP в будущем."
Такахаши говорит, что другие исследователи, изучающие циркадные ритмы, уже запросили линию мышей из его лаборатории для изучения суточных циклов других клеток.
По его словам, мыши могут позволить ученым уточнить различия в циркадных ритмах между типами клеток в пределах одного органа или то, как цикл опухолевых клеток отличается от цикла здоровых клеток.
"Во всех видах сложных или пораженных тканей это может позволить вам увидеть, какие клетки имеют ритмы и насколько они могут быть похожи или отличаться от ритмов других типов клеток."
Это исследование было поддержано фондами HHMI, Национальных институтов здравоохранения (R01 NS106657, R01 GM114424, T32-HLO9701, F32-AG064886) и Фонда Уэлча (AU-1971-20180324).