16 травня доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Лабораторії молекулярної біофізики Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця НАНУ, Микола Кононенко висвітлив питання, пов'язані з циркадним годинником: як він працює, куди йдуть сигнали та які захворювання, пов’язані зі збоєм циркадних ритмів.

1. Циркадные часы
Николай Кононенко

2. 1. Почему мы утром просыпаемся, даже если не
пользуемся будильником.
2. Что такое циркадные ритмы.
3. Где в мозге расположены наши собственные циркадные
часы.
4. Как работают наши главные циркадные часы.
5. Куда идут сигналы от наших главных часов.
6. Заболевания, связанные с проблемами в работе
главных часов. Из 29 2

3. Циркадные ритмы в организме человека
Из 29 3

4. Главный исторический факт:
В 1729 году впервые экспериментально deMairan обнаружил,
что суточные регулярные движения листочков мимозы
наблюдаются и в полной темноте.
Был сделан вывод, что эти движения не зависят напрямую от
солнечного освещения.
Каждый кадр ростка репы Brassica rapa делали через 20 мин в течении 5 дней
Из 29 4

5. Циркадные ритмы активности мыши в колесе
Из 29 5
Свет - темнота
Темнота - темнота

6. Циркадный ритм, Циркадные часы
Circadian rhythm, Circadian clock
Latin: Circa = примерно, около; dies = день
От Franz Halberg, 1959
Происхождение слова циркадный
Из 29 6

7. Гипоталамус
Глаз
Ретино-гипоталамический путь
Парные супрахиазматические ядра (СХЯ, SCN) гипоталамуса являются главными
биологическими часами, регулирующими циркадные ритмы у млекопитающих.
Это было показано путём хирургического удаления этих ядер, разрушающего
циркадное поведение, с последующим его восстановлением после пересадки
СХЯ от донора.
Главные циркадные часы у человека
Из 29 7

8. Разрушение СХЯ вызывает фрагментацию
активности
Из 29 8

9. Из 29 9
~ 700 m
Ретино-
гипоталамический
путь
Вертикальный и горизонтальный срезы
супрахиазматичесих ядер

10. 1 мм
Супрахиазматические ядра мыши под
бинокулярным микроскопом
Из 29 10

11. 100 mм
Нейроны супрахиазматического ядра под
инфракрасным дифференциальным микроскопом
Из 29 11

12. Примерно от 100 нейронов
Вся запись 100 мс
Циркадные ритмы электрической активности
нейронов супрахиазматического ядра
1 мм
Из 29 12

13. ВЫВОД
• Парные супрахиазматические ядра (СХЯ, SCN)
гипоталамуса являются главными
биологическими часами, регулирующими
циркадные процессы в организме.
• Волнующий вопрос: является ли циркадный
ритм электрической активности ядра
результатом работы нейронной сети или же
отдельные нейроны генерируют циркадную
электрическую активность.
Из 29 13

14. 0
6
Гц
0 1 2 3 4 5(Дни)
1 мин
1мм
100 mм
Многоэлектродная камера для культивирования клеток
Из 29 14

15. Из 29
Активность отдельных нейронов ядра и интегральная активность многих
нейронов в супрахиазматическом ядре
Частота(Гц)
15

16. ВЫВОД
• Индивидуальные нейроны супрахиазматического
ядра генерируют собственные циркадные ритмы
электрической активности. Как результат
внутреннего взаимодействия между нейронами,
ядро в целом генерирует когерентный
электрический выход.
• Волнующий вопрос: какие клеточные механизмы
генерации циркадной электрической активности в
нейроне супрахиазматического ядра ?
Из 29 16

17. Три главные компонента любых часов: 1) осциллятор, 2) передаточный
механизм, 3) стрелки или цифры
Из 29 17

18. Осциллятор
Посредник
0
6
Гц
Схема циркадных часов в нейроне в супрахиазматическом ядре
Ионные каналы
0 1 2 3 4 5(Дни)Из 29 18

19. ДНК
мРНК
Протеин Per
Ядро транскрипция
трансляция
Фосфорилирование,
димеризация
Транспорт
Протеин* Per*
К посреднику Деградация
Упрощённая схема циркадного осциллятора в нейроне в
супрахиазматическом ядре
Per
Из 29 19

20. ВЫВОД
Осцилляции с периодом в 24 часа с нейроне
происходят за счёт цепи с обратной связью,
включающей транскрипцию и трансляцию, когда
синтезированный белок с задержкой во
времени, обусловленной его модификацией и
транспортом в ядро, подавляет его же
собственную транскрипцию.
Из 29 20

21. Светлячки вырабатывают свет,
используя химическую реакцию, которая
называется биолюминесценция. Этот
процесс происходит в нижней части
брюшка насекомого. Фермент
люцифераза стимулирует испускание
света люциферином в присутствии
ионов магния, АТФ и кислорода.
Гены, кодирующие люциферазу были
введены в геном многих организмов.
Светлячки
Из 29 21

22. Циркадные ритмы PER2::LUC
биолюминесценции, в
изолированных нейронах в
культуре
Из 29 22

23. Из 29
Активность отдельных нейронов ядра и интегральная активность многих
нейронов в супрахиазматическом ядре
Частота(Гц)
23

24. Схема синхронизации отдельных клеточных осцилляторов в
супрахиазматическом ядре
Из 29 24

25. Циркадные ритмы биолюминесценции в целом супрахиазматическом ядре
Из 29 25

26. Главные и периферические циркадные
часы и ритмы в организме человека
Из 29 26

27. Циркадные ритмы в организме человека
Из 29 27

28. Эпифиз
Супрахиазматические
ядра
Взаимоотношения между СХЯ и эпифизом
Из 29 28

29. Болезни, связанные с циркадными ритмами
1. Фатальная семейная бессонница
2. Джетлаг
3. Задержка фазы сна
4. Раннее наступление фазы сна
5. Десинхронизация биоритмов
Из 29 29

30. Спасибо всем за интерес
к циркадным ритмам и
механизмам
их генерации
Из 29 30

31. Температурная компенсация
Влияние температуры на скорость
биохимических реакций определяется
коэффициентом Q10, который является
отношением скорости при данной температуре к
таковой при температуре на 10оС ниже.
Q10 = Vt/Vt-10
o
C
Для биохимических реакций 2 < Q10 < 3,
тогда как для периода Т циркадных ритмов Q10~1.
Из 29 31

32. Transcriptional–translational feedback loop (TTFL) drives rhythms in gene expression
At the beginning of the cycle, CLOCK–BMAL1 protein complexes bind DNA at specific promoter
regions (E-box) to activate the transcription of a family of genes including the period (Per1, Per2
and Per3) genes and cryptochrome (Cry1 and Cry2) genes. The levels of the transcripts for Per
and Cry genes reach their peak during the period from midday to late in the day, whereas the PER
and CRY proteins peak in the early night. The PERs, CRYs and other proteins form complexes
that translocate back into the nucleus and turn off the transcriptional activity driven
by CLOCK–BMAL1 with a delay (owing to the time required for transcription, translation,
dimerization and nuclear entry). Other feedback loops within the cells contribute to the precision
and robustness of the core oscillation.
Из 29 32

33. Мелатонин и его синтез
Из 29 33