Вы - новичок

и хотите больше узнать о движении или вступить в него

Вы - активист

и вас интересует жизнь движения

Вы - инвестор

и вы заинтересовались проектами движения и возможностью финансирования

Вы - журналист

и ищете информацию или хотите взять интервью

Альтернативные системы контроля биологического времени в онтогенезе млекопитающих. В. Голуб

Дата опубликования статьи: 25.12.2006
Доклад в Институте геронтологии АМН Украины.

В организме млекопитающих циркадианная система времени (circadian timing system, CTS) управляет различными поведенческими и физиологическими процессами, лежащими в основе суточной смены фаз активности, отдыха, сна, терморегуляции, эндокринных ритмов, определяя временные характеристики многих аспектов метаболизма и поведения в течение суток (Pittendrigh, 1981, 1960; Moore-Ede et. al., 1982; Daan & Aschoff, 1982).

Хотя супрахиазматические ядра (suprachiasmatic nucleus, SCN) определенно играют важнейшую роль в регуляции циркадианных временных систем, имеются данные о существовании также и других ритмоводителей у млекопитающих. Так, например, у животных с поврежденными супрахиазматическими ядрами исчезают ритмы питания, питья и активности, но остается неизменным суточный цикл температуры тела. Это показывает, что колебания температуры находятся под контролем какого-то другого пейсмейкера. Дополнительные данные в пользу того, что у млекопитающих функционирует не один ритмоводитель, были получены при обследовании таких людей, как Мишель Сиффр, живущих в изоляции. Тот факт, что у испытуемых наблюдается спонтанная десинхронизация, т.е. несовпадение циркадианного ритма температуры тела и цикла сон-бодрствование, указывает на существование по меньшей мере двух пейсмейкеров. Исследования показывают, что CTS у млекопитающих состоит, по крайней мере, из двух типов генераторов, а именно, food-entrainable-oscillator (FEO), и light-entrainable-oscillator (LEO), которые могут действовать относительно независимо при определенных обстоятельствах.

Имеются наборы ритмов, которые в подобных экспериментах никогда не десинхронизируются и, следовательно, должны быть подчинены общему ритмоводителю. В один такой набор входят ритмы сна и бодрствования, температуры кожи, концентрации гормона роста в крови и содержания кальция в моче. Предполагается, что эту группу ритмов контролируют супрахиазматические ядра. Во вторую группу показателей, варьирующих согласованно даже тогда, когда происходит десинхронизация других функций организма, входят циклы сна с БДГ, внутренней температуры тела, уровня кортизола в крови и калия в моче. Генератор, контролирующий эти ритмы (FEO), по-видимому, более устойчив, чем тот, от которого зависит ритм сна и бодрствования. В тех случаях, когда ритмы становились свободнотекущими, т. е. при отсутствии внешних времязадателей, эта группа редко отклонялась от 24,8-часового цикла (Moore-Ede et al., 1982).

Хотя основные механизмы функционирования LEO в относящемся к млекопитающим CTS были идентифицированы ( Moore-Ede, 1982; Ralph et. al., 1990; Eastman et al, 1984; Rusak, 1982; Inouye et. al., 1984) , точные физиологические механизмы, лежащие в основе FEO в значительной степени неизвестны (White et al, in press; for a review see Mistleberger, 1994). В последнее время появились работы, указывающие на дислокацию FEO в переднем мозге (NPAS2: an analog of clock operative in the mammalian forebrain. Reick M, Garcia JA, Dudley C, McKnight SL, 2001; Altered patterns of sleep and behavioral adaptability in NPAS2-deficient mice. Dudley CA, Erbel-Sieler C, Estill SJ, Reick M, Franken P, Pitts S, McKnight SL,2003).

Вероятно, наличие двух осцилляторов характерно только для млекопитающих, поскольку у птиц данный механизм, скорее всего, отсутствует. (Food as a circadian zeitgeber for house sparrows: The effect of different food access durations. Michaela Haul and Eberhard Gwinner, 1996).

В основе многих организменных процессов заложен принцип регулирования их продолжительности количеством циркадианных ритмов. Например, эстральный цикл золотистых хомячков (Mesocricetus auratus) длится 96 часов, и его продолжительность увеличивается до 100 часов при содержании животных в абсолютной темноте. Это объясняется тем, что в свободнотекущем состоянии циркадный ритм составляет около 25 часов.

Существуют предположения относительно того, что продолжительность циркадного ритма может служить единицей отсчёта времени для внутренних биологических часов организма, одной из функций которых является определение продолжительности цикла индивидуального развития.

Автором доклада выдвигается гипотеза (циркадианная и метаболическая системы контроля биологического времени в онтогенезе млекопитающих), согласно которой весь цикл индивидуального развития млекопитающих разделён на отдельные этапы – возрастные периоды, а управление их последовательной сменой принадлежит ЦНС, и в первую очередь гипоталамусу. Предполагается, что ЦНС и гипоталамус осуществляют отсчёт времени, в зависимости от внешних условий, с использованием либо циркадианного, либо метаболического «счётчика». Идея о возможности использования молекул ДНК (хрономер) в качестве «счётчика» биологического времени в клетках мозга впервые была сформулирована А. М. Оловниковым в его гипотезе «Редусомная гипотеза старения и контроля биологического времени в индивидуальном развитии» (2003).

Идея о ключевой роли гипоталамуса в качестве диспетчера возрастных изменений разработана В. М. Дильманом в его элевационной гипотезе старения, согласно которой ведущая роль в возникновении возрастных изменений у млекопитающих принадлежит изменению порогового уровня чувствительности гипоталамуса к гомеостатическим сигналам.

Предполагается, что в организме млекопитающих животных существует две системы контроля биологического времени – назовём их циркадианной (основанной на подсчёте количества ритмов LEO – осциллятора (ген BMAL1)) и метаболической (основанной на подсчёте количества ритмов FEO – осциллятора (ген NPAS2)). С использованием этих двух систем гипоталамус определяет продолжительность возрастного периода, как промежутка времени между двумя его собственными изменениями. Каждое последующее изменение гипоталамуса является ключевым событием, вызывающим цепочку возрастных преобразований в организме.

Предполагается, что при сменах систем контроля биологического времени в организме (например, в случае смены световых режимов – у сони-полчка) отсчёт времени текущего возрастного периода начинается с начала. Исходя из этого положения, длительность возрастного периода может быть увеличена «в разы» за счёт повторяющихся смен систем контроля биологического времени, что и является «замораживанием» биологического возраста. Как уже было упомянуто выше, ритм FEO – осциллятора более устойчив при изменениях светового режима, но, по-видимому, его продолжительность в большей степени зависит от температуры, чем у ритма LEO – осциллятора (именно поэтому в состоянии летаргического сна используется циркадианная система).

Почему изменение гипоталамуса имеет прерывистый характер? Возможно, возрастные периоды возникли у первых теплокровных животных (птиц и млекопитающих) как приспособительный механизм, позволяющий избежать значительного (в несколько раз) сокращения продолжительности жизни при значительном увеличении уровня обмена веществ.

Наличием упомянутых выше систем контроля биологического времени в организме млекопитающих и разделением их цикла развития на возрастные периоды можно объяснить такие феномены, как ускоренное старение людей после многолетнего пребывания в состоянии летаргического сна и ускоренное развитие клонов. Вероятно, возрастные изменения характерны не только для фенотипических признаков, но и для самого генома млекопитающих. В связи с этим генетическую программу индивидуального развития млекопитающих можно охарактеризовать как многоуровневую, причём переход с одного уровня не другой осуществляется «биологическим хронометром» (циркадианным или метаболическим).

В подтверждение выдвинутой гипотезы приводится следующий экспериментальный материал.

Возрастные периоды млекопитающих выделены на основании изменений размеров головы* (А), туловища** (В) и типа волосяного покрова*** (С).

Наблюдения над тем, как проходит процесс индивидуального развития крыс, морских свинок и сонь, свидетельствуют о том, что рост отдельных частей тела протекает неравномерно. Так, анализируя увеличение размеров головы у животных в ходе онтогенеза, можно отметить его ярко выраженный скачкообразный характер. Например, периоды очень быстрого роста головы у крыс приходятся на периоды 1,5 и 3,5 месяца после рождения, у морских свинок – немногим более месяца, около 3 месяцев, 6 месяцев. Возрастные смены типов волосяного покрова совпадают по времени с периодами ускоренного роста головы (у крыс и сонь). На основании этого можно рассматривать промежутки времени между такими периодами ускоренного роста головы как возрастные периоды, для которых заданы определённые конечные размеры головы (А), туловища (В) и тип волосяного покрова (С).

Смена возрастных периодов у крыс, морских свинок и сонь происходит по истечении определённых промежутков времени, о чём уже было сказано выше. Измеряя продолжительность этих временных интервалов, можно судить о скорости онтогенеза (чем они короче, тем больше скорость развития).

* Длина головы измеряется у живых животных линейкой с закреплённой на конце скобой от плоскости затылочной кости до кончика носа.

** Длина тела измеряется у выпрямленного животного с брюшной стороны от кончика носа до центра анального отверстия.

*** Возрастной тип волосяного покрова определяется окраской, длиной и толщиной волос, структурой шерсти.

Скорость развития сони-полчка при различных типах световых режимов.

Соня-полчок (Myoxus glis) – зимоспящий грызун семейства сонь (Gliridae). Ареал охватывает большую часть Европы, Малую Азию, Кавказ, Копетдаг. На Украине – зона широколиственных лесов, лесостепь. Наибольшей численности в настоящее время достигает в Карпатах. Одной из наиболее интересных особенностей биологии является очень длительная (в отдельных случаях до 9 месяцев) гибернация. Не совсем ясными в настоящее время являются детали репродуктивной биологии этого вида.

В экспериментах с соней-полчком были использованы 2 типа световых режимов: Х – с постоянной продолжительностью фотопериода, Y – с переменной продолжительностью фотопериода (изменение в вечернее время от 1 до 3 часов в сутки). Животные содержатся в условиях естественного освещения через окна (режим Х) или продолжительность светового дня корректируется с помощью управляемого электронным таймером включения электрического освещения (режим Y).

Результаты эксперимента, начатого весной 2005 года, следующие: в условиях постоянного фотопериода (Х) скорость развития животных (в активном состоянии) примерно в 3 раза ниже, чем при переменном (Y) световом режиме, т. есть продолжительность 1-го возрастного периода составляет (соответственно) 5 и 1,5 месяцев, второго – 9 и 3 месяца (для 1 возрастного периода L головы составляет 33 – 34 мм, тип волосяного покрова – ювенильный; для второго – 38 – 39 мм, тип волосяного покрова – промежуточный).

Поскольку скорость развития сони-полчка в двух типах световых режимов (Х и Y) различна, можно допустить, что в этих двух световых режимах используются различные системы контроля биологического времени. Чередуя эти режимы, мы экспериментальным путём ответим на вопрос, возможно ли «замораживание» биологического возраста у млекопитающих, в частности, у сони-полчка.

Схема экспериментов с периодическими сменами световых режимов следующая: в течение 52 дней поддерживается световой режим типа Х (естественное освещение), затем на протяжении 21 дня Y (коррекция фотопериода каждые сутки на 1 – 3 часа). Предполагается, что в результате этого в организме животных, участвующих в эксперименте (сонь и морских свинок) происходят смены систем контроля биологического времени. Ожидаемым результатом является продление текущего возрастного периода.

Система возрастных периодов морских свинок выглядит следующим образом.

Первый возрастной период с момента рождения до 1 месяца 20 дней. Длина головы увеличивается с 40 – 45 мм до 52 – 54 мм., причём наблюдается практически линейная зависимость размеров головы от значений переменной t (времени).

Второй возрастной период имеет продолжительность около 2 месяцев (до возраста 3,5 месяца). Длина головы увеличивается с 52 – 54 мм до 58 – 60 мм., скорость роста достигает максимума в самом начале возрастного периода с более длительной фазой убывания.

Продолжительность третьего возрастного периода составляет 3 мес. (?), длина головы 62 – 63,5 мм., чётко выраженный пик скорости роста имеет примерно одинаковые фазы возрастания и убывания.

Продолжительность четвёртого периода – 3 мес. (?), длина головы 64 – 65,5 мм.

В течение скольких возрастных периодов у морских свинок происходит рост головы, пока неизвестно. Максимальные значения этого параметра у взрослых животных составляют 69 – 70 мм.

Непрерывный рост головы наблюдается в течение всего первого возрастного периода (линейная зависимость), первых 15 – 20 дней второго – возрастание и убывание имеют характер кривой (во второй половине, по-видимому, скорость роста близка к 0). Для третьего и четвёртого характерна стабилизация размеров головы (скорость роста равна 0), и увеличение длины головы наблюдается только при переходах (сменах возрастных периодов).

Предварительные результаты свидетельствуют в пользу предложенной гипотезы (у 6 морских свинок на текущий момент получена 3-х месячная задержка смены возрастного периода (второго на третий), у 2 – двухмесячная (с первого на второй)).

Группа сонь-полчков из 5 особей (детёныши из одного помёта, родившиеся летом 2005 года) находится во второй возрастной группе уже 11 месяцев, сохраняя при этом свойственные своему биологическому возрасту размеры головы, туловища и тип волосяного покрова.

Положительные результаты экспериментов со сменой световых режимов являются предпосылкой для целенаправленного исследования механизмов, присущих системам контроля биологического времени в организме млекопитающих. При этом приоритетным направлением может стать поиск биохимических маркёров смены возрастных периодов, что позволило бы дифференцировать возрастные периоды в более старших возрастных группах животных (практически неразличимых по внешним признакам).

Некоторые «зацепки» для поиска таких маркёров уже есть, но для осуществления самих исследований необходима серьёзная научная база.

Успешное осуществление идеи продления возрастных периодов млекопитающих может стать основанием для разработки радикального средства, способного остановить процессы старения у человека.

Литература:

Aschoff J. (1981). Handbook of Behavioral Neurobiology: Vol 4. Biological Rhythms. New York: Plenum Press.

Aschoff J. (1981). Freerunning and entrained circadian rhythms. In Handbook of Behavioral Neurobiology: Vol 4. Biological Rhythms, ed. Jurgen Ashoff. New York: Plenum Press.

Daan S & Ashoff J (1982). Circadian contributions to survival. In Vertebrate circadian systems, eds, J Aschoff, S. Daan, and G.A. Groos. Berlin: Springer-Verlag.

Eastman C., Rechtschaffen A., & Mistleberger R.E. (1984). SCN lesions eliminate circadian temperature and sleep rhythms in the rat. Physio. Behav, 31: 417- 427.

Inouye S.T. (1984). Light responsiveness of the SCN within the island with the retinohypothalamic track spared. Brain research, 297: 263-268.

Mistleberger R. E. (1994). Circadian food anticipatory activity: formal models and physiological mechanisms. Neuroscience and biobehavioral reviews, Vol 18 (2), 171-195.

Moore-Ede M., Sulzman, F., & Fuller C. A. (1982). Clocks that time us. Harvard University Press: Cambridge.

Food as a circadian zeitgeber for house sparrows: The effect of different food access durations. Michaela Haul and Eberhard Gwinner, 1996

Pittendrigh C. (1981). Circadian systems: general perspective. In Handbook of Behavioral Neurobiology: Vol 4. Biological Rhythms, ed. Jurgen Ashoff. New York: Plenum Press.

Pittendrigh, C. (1981). Circadian systems: entrainment. In Handbook of Behavioral Neurobiology: Vol 4. Biological Rhythms, ed. Jurgen Ashoff. New York: Plenum Press.

Rusak B., & Groose G. ( 1982). SCN stimulation phase shifts rodent circadian rhythms. Science, 215: 1407-1409.

Stephan, F. (1984) Phase shifts of circadian rhythms in activity entrained to food access. Physiology and Behavior. 32: 663-671.

NPAS2: an analog of clock operative in the mammalian forebrain. Reick M, Garcia JA, Dudley C, McKnight SL, 2001

Altered patterns of sleep and behavioral adaptability in NPAS2-deficient mice. Dudley CA, Erbel-Sieler C, Estill SJ, Reick M, Franken P, Pitts S, McKnight SL,2003

Дильман, В.М. (1958) О возрастном повышении деятельности некоторых гипоталамических центров. В кн.: Труды Ин-та физиологии им. И.А.Павлова АН СССР. 7:326-336.

Дильман, В.М. (1987) Четыре модели медицины. Л.;"Медицина".- 288с.

Оловников А.М. Редусомная гипотеза старения и контроля биологического времени в индивидуальном развитии. Биохимия, 2003, том 68, вып. 1, стр. 7 -41