Генетическая лотерея

Жаворонки и совы – это в генах?

У многих организмов, населяющих Землю, наблюдается цикличность биологических процессов. Обычно цикл близок по времени к периоду вращения нашей планеты вокруг своей оси, то есть приблизительно равен 24 часам. Такие циклы ученые называют циркадными, что в переводе с латинского языка означает «около дня». Эта внутренняя циркадная ритмичность позволяет организму предсказывать внешнюю среду, в том числе время восхода и захода солнца, а также предвидеть лучшее время для сна, пробуждения, приема пищи и активности.

Как работает циркадный ритм, связанный с режимом сон – бодрствование?

Циркадными ритмами управляют внутренние часы, расположенные в супрахиазматическом ядре гипоталамуса в головном мозге. Они следят за тем, чтобы процессы в организме происходили в положенное им время. Как и любые часы для сохранения точности их периодически нужно подстраивать. Для настройки часы используют внешние стимулы, главным из которых является свет, поэтому циркадные ритмы привязаны к циклу дня и ночи. В популяции существует некоторый разброс, связанный с тем, как циркадная система согласуется с типичными днем и ночью, что приводит к различным циркадным предпочтениям, называемым хронотипами. Хронотип – это склонность человека спать в определенное время суток. На основе этого упрощенно выделяют три хронотипа: ранний (те самые жаворонки), промежуточный (их иногда называют голубями) и поздний (совы).

Нобелевская премия

И вот мы наконец подошли к вопросам: что это за внутренние часы, как люди узнали об их существовании и как они связаны с генетикой?

На самом деле о существовании внутренних часов, которые предопределяют процессы, происходящие в организме в течение суток, догадывались давно. Уже более двухсот лет назад француз Жан-Жак де Меран, наблюдая за мимозой, заметил, что она меняет положение своих листьев в течение суток и, что удивительно, растение продолжало это делать даже при длительном нахождении в темноте. Это наблюдение в корне противоречило гипотезе о том, что ритмами полностью управляют факторы внешней среды.

Однако до современных представлений Мерану, конечно, было далеко. Ведь в те времена генетики как науки даже не существовало. Кардинально новая эра в понимании внутренних часов началась с того, что ученые выяснили: у плодовых мушек дрозофил есть period, ген, связанный с продолжительностью циркадных ритмов.

Гораздо позже это ген был выделен, а его продукт, названный PER, изучен. Оказалось, что он при непосредственном участии еще нескольких белковых компонентов и является теми самыми клеточными часами, контролирующими циркадные ритмы у дрозофилы. За это открытие в 2017 году трое американских ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

У людей

У человека процесс немного более сложен. Как мы уже говорили выше, основным регулятором является область головного мозга в гипоталамусе. Как только изменяется ритм освещенности, активность системы PER в этом участке мозга меняется. А далее мозг регулирует циркадные ритмы в остальных участках организма за счет управления выделением гормона мелатонина.

Что будет, если нарушать ритм сон – бодрствование

Думаю, многим знакомы неприятные симптомы после длительного перелета, сопровождающегося сменой часовых поясов. Это так называемый джетлаг – явление, вызванное расхождением внутренних часов человека с природными часами в месте прибытия. Джетлаг может вызвать нарушения сна, аппетита, терморегуляции.

Однако существует и другой джетлаг – социальный. Социальный джетлаг вызван привычкой иметь два разных режима сна. Когда мы сокращаем сон в течение рабочей недели, мы накапливаем дефицит сна, а в выходные решаем «отоспаться». За выходные циркадные ритмы возвращаются к их естественной установке, но дальше неумолимо наступает понедельник и все закручивается по новой. Для многих эта «двойная жизнь» приводит к симптомам, которые очень напоминают симптомы смены часовых поясов.

Существует ли генетическая склонность к полноте?

В современном мире проблема ожирения вышла на первый план – образ жизни многих людей предполагает низкую физическую активность и повышенное потребление высококалорийных продуктов. Однако не все люди, живущие в таких условиях, будут страдать ожирением, и не все люди, страдающие ожирением, будут иметь одинаковое распределение жира в организме или испытывать одинаковые проблемы со здоровьем. Это происходит во многом от того, что в развитии ожирения важна и генетическая компонента.

В редких случаях ожирение бывает наследственным и вызывается специфическим вариантом одного гена (моногенное ожирение) или возникает в результате другого заболевания (синдром Прадера-Вилли, синдром Барде-Бидля). Однако в большинстве случаев ожирение является результатом сложных взаимодействий между генетикой и факторами окружающей среды (многофакторное ожирение).

Моногенное ожирение

Известно несколько генов, связанных с развитием моногенного ожирения. Расскажем о некоторых из них.

LEP

Ген LEP кодирует гормон лептин. Лептин вырабатывается после еды и помогает организму понять, что он уже сыт и больше есть не нужно. Этот гормон – один из регуляторов голода и насыщения. Врожденный дефицит лептина – редкое состояние, которое характеризуется быстрым увеличением веса после рождения, приводящим к тяжелому раннему ожирению, вызванному тем, что человек склонен к сильному перееданию из-за того, что организм после еды не получает сигнал к формированию насыщения.

LEPR

Мутации в LEPR, который кодирует рецептор к лептину, могут вызывать состояние, сходное с дефицитом лептина. Но механизм немного другой: лептин после еды вырабатывается, но клетки к нему не чувствительны и, как следствие, опять не наступает формирование чувства насыщения.

POMC

Дефицит белка РОМС приводит к нарушению выработки ?-меланоцитстимулирующего гормона. Из-за роли этого гормона в регуляции аппетита и пигментации классическим проявлением является рыжий цвет волос и тяжелое ожирение.

MC4R

Рецепторы меланокортина (MC4R) в большом количестве содержатся в области мозга, участвующей в регуляции аппетита. Исследования на грызунах показывают, что связывание MC4R с ?-меланоцитстимулирующим гормоном подавляет аппетит. Мутации в данном гене этот механизм нарушают, и человек не ощущает сытости, что ведет к перееданию.

Многофакторное ожирение

Определение того, какие гены, варианты или механизмы связаны с многофакторным ожирением, – нетривиальная задача. Наиболее изучен локус FTO, который был выявлен более десяти лет назад и содержит шесть генов. Но даже несмотря на его значимую связь с ожирением, конкретные механизмы, с помощью которых FTO влияет на массу тела, полностью не установлены. Исследования на мышах показали, что FTO играет большую роль в усвоении клеткой питательных веществ. Если пытаться объяснить проще, то FTO можно сравнить с переключателем в головном мозге с голода на насыщение, и если он работает плохо, то страдает формирование насыщения, что ведет к перееданию и набору веса. Помимо гена FTO, было выявлено и несколько других локусов, связанных с ожирением. Например, были обнаружены варианты около гена TMEM18. Дефицит белка, кодируемого этим геном, у мышей приводит к увеличению массы тела из-за повышенного потребления пищи.