В наших клеточных часах она совершила целую жизнь открытий | Журнал Кванта

Этим утром, когда взошло солнце, миллиарды людей открыли глаза и впустили в свои тела луч света из космоса. Когда поток фотонов попадал на сетчатку, нейроны сработали. И в каждом органе, почти в каждой клетке заработал сложный механизм. Циркадные часы каждой клетки, комплекс белков, уровень которых повышается и падает вместе с солнцем, заработали.

Эти часы синхронизируют наши тела с циклом света и темноты на планете, контролируя экспрессию более 40% нашего генома. Гены, отвечающие за иммунные сигналы, мозговые посланники и ферменты печени, и это лишь некоторые из них, транскрибируются для производства белков, когда часы говорят, что пришло время.

Это означает, что с биохимической точки зрения вы не являетесь тем же человеком в 10:10, что и в XNUMX:XNUMX. Это означает, что вечер — более опасное время для приема больших доз обезболивающего ацетаминофена: тогда ферментов печени, защищающих от передозировки, становится недостаточно. Это означает, что вакцины, вводимые утром и вечером, работать по-другомуи что у работников ночной смены, которые хронически не подчиняются графику, выше уровень сердечно-сосудистых заболеваний и диабета. Люди, чьи часы идут быстро или медленно, оказались в ловушке ужасного состояния постоянной смены часовых поясов.

«Мы связаны с этим днем ​​таким образом, что, я думаю, люди просто отталкиваются», — говорит мне биохимик Кэрри Партч. Если мы лучше поймем часы, утверждает она, мы сможем их сбросить. Обладая этой информацией, мы могли бы разработать методы лечения заболеваний, от диабета до рака.

Более четверти века Партч жил среди управляющих циркадными часами — белками, подъем и спад которых контролируют их работу. Будучи постдоком, она подготовила первая визуализация связанной пары белков в его сердце, CLOCK и BMAL1. С тех пор она продолжает делать видимыми завитки и изгибы этих и других часовых белков, одновременно рисуя графики того, как изменения в их структуре увеличивают или уменьшают время суток. Ее достижения в поисках этих знаний принесли ей одни из самых высоких наград в этой области науки: Премия Маргарет Окли Дэйхофф от Биофизического общества в 2018 году, и Премия Национальной академии наук в области молекулярной биологии в 2022 году.

Когда Партч говорит, ее ощущение безжалостности времени – того факта, что оно меняет нас, хотим мы того или нет – затеняет ее голос тихой настойчивостью. Ее собственное путешествие приняло неожиданный поворот; на пике своей карьеры ей приходится отойти от лабораторного стола. В 2020 году, в возрасте 47 лет, ей поставили диагноз боковой амиотрофический склероз, также известный как болезнь Лу Герига. В среднем люди живут от трех до пяти лет после того, как им поставили диагноз БАС.

Но это не помешало ей задуматься о часовых белках.

Она рассматривает их, наклонив голову, свет отражается от ее очков, пока мы сидим в ее гостиной на холмах недалеко от Санта-Крус, Калифорния. Сейчас полдень, около шести часов с тех пор, как солнечные фотоны привели в действие CLOCK и BMAL1 в ее клетках и клетках каждого человека на Западном побережье.

Мысленным взором она видит белки, каждый из которых представляет собой ленту аминокислот, свернутую вокруг себя. У BMAL1 есть своеобразная талия, которую CLOCK обхватывает, как танцор. Каждый рассвет пара садится на плотно свернувшуюся массу генома и вызывает ферменты, транскрибирующие ДНК. В течение дня они заставляют другие белки выходить из клеточных механизмов, в том числе некоторые, которые в конечном итоге затмевают их силу. Около 1:10 три белка находят опору на CLOCK и BMAL1, заставляя их замолчать и удаляя их из генома. Ход транскрипции ДНК меняется. Наконец, глубокой ночью четвертый белок захватывает метку на конце BMALXNUMX и предотвращает любую дальнейшую активацию.

Секунды превращаются в минуты, минуты в часы. Время проходит. Постепенно репрессивный квартет белков распадается. Рано утром CLOCK и BMAL1 снова запускаются, чтобы возобновить цикл.

Каждый день вашей жизни эта система связывает фундаментальную биологию тела с движением планеты. Каждый день твоей жизни, пока он длится. Никто не понимает этого глубже, чем Парч.

Химия и часы

Летом перед пятым классом, когда Партчу было 10 лет, ее отец, который был плотником, сломал запястье, играя в футбол. Пока он ждал, пока болезнь заживет, он изучал химию в местном колледже. Он показал ей, как сбалансировать химическое уравнение у них во дворе недалеко от Сиэтла, на доске, прислоненной к дереву. Это было ее знакомство с химией.

«Я до сих пор помню, как думала о том, насколько крутой была математическая точность химии — она сильно отличалась от биологии, которую нас учили в школе в том возрасте», — сказала она.

Когда она вспоминает свои студенческие годы в Вашингтонском университете, она с иронической усмешкой признается, что отчасти из того, что бросается в глаза, — это воспоминания о посещении концертов — поездка в Олимпию на шоу Слитера-Кинни, просмотр Mudhoney и Nirvana — и ее удовольствие от книги таких авторов, как Урсула Ле Гуин. Но ее также увлекли занятия по химии живых систем. После окончания университета она пошла работать техником в Орегонский университет здравоохранения и науки в Портленде. С каждым днем ​​она все больше влюблялась в исследования. В 2000 году она и ее парень Джеймс, музыкант и графический дизайнер, переехали в Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл, чтобы она могла получить докторскую степень.

Вскоре после приезда она встретила человека, который познакомил ее с часами. Она училась у молекулярного биолога. Азиз Санкар, известный своими работами по восстановлению ДНК. «Меня поразила прекрасная точность, с которой он преподавал нам основные научные концепции», — сказала она. «Я подумал: «Чувак, этот парень такой умный». получить Нобелевскую премию в 2015 году изучал класс белков, называемых криптохромами, в который входят часовые белки CRY1 и CRY2. У каждого организма, от цианобактерий до красного дерева, есть часы, но белки, управляющие каждой системой, различны. У млекопитающих наиболее важными белками, помимо CLOCK и BMAL1, являются формы PER и CRY.

Будучи аспирантом лаборатории Санкара, Партч обнаружил, что у CRY1 есть загадочный неструктурированный хвост. Никто не знал, что делает эта часть белка, но, опять же, никто на самом деле не знал, как какие-либо катушки и ленты часовых белков приводят к таким замечательным эффектам. И, к удивлению Партча, похоже, это никого особо не волновало. Джозеф Такахаши и его коллеги из Северо-Западного университета всего несколько лет назад с большим успехом определили гены CLOCK и BMAL1; невысказанное предположение среди многих ученых заключалось в том, что тяжелая работа уже сделана.

Это даже не осталось невысказанным. На конференции 2002 года Партч рассказала нескольким коллегам, что хочет понять структуру белков. "Почему?" был их ответ: мы уже все знаем. Партч вежливо, но решительно не согласился.

После окончания университета она пошла работать в Юго-Западный медицинский центр Техасского университета в качестве постдока в лаборатории Кевин Гарднер, биохимик и структурный биолог, сейчас работает в Центре перспективных научных исследований Центра аспирантуры Городского университета Нью-Йорка. Там она надеялась, что сможет более четко увидеть часовые белки, научившись использовать два сложных, но мощных метода.

Поэт теней

«Круг белка соприкасается с квадратом белка — это волшебство»: именно так Гарднер резюмирует неясность молекулярной структуры, которую, по его опыту, с радостью принимают многие биологи, поскольку никто не может сосредоточиться на каждом аспекте каждой системы. Но в Парче он увидел родственную душу, человека, стремящегося разбирать белки и понимать их, и одаренного почти энциклопедической памятью на литературу о циркадных часах.

Работая с ним, Партч научился кристаллографии белков: как смешивать растворы, из которых кристаллизуется очищенный белок; как пропустить рентгеновские лучи через эту кристаллическую решетку; как определить форму белка по тонким оттенкам дифракционной картины. Кристаллограф подобен поэту теней: Розалинда Франклин, чьи изображения позволили Уотсону и Крику сделать вывод о структуре ДНК, была кристаллографом. Для Парч туманные серые изображения кристаллографии обещали взглянуть на структуры, которым она планировала следовать всю свою жизнь.

Однако кристаллография имеет пределы. Он может выявить только формы белков, достаточно стабильных для кристаллизации, и дает лишь моментальный снимок этих замороженных структур. Партч знал, что статичные формы, представляющие белки на схемах из учебников, скрывают правду. Белок может складывать ножки, скручиваться, как храповик, или разворачиваться и складываться в странную новую форму. Некоторые белки также сильно неупорядочены: их более упорядоченные области соединяют длинные, гибкие нити аминокислот, состоящие из спагетти.

Вот почему спектроскопия ядерного магнитного резонанса, или ЯМР, также фигурировала в плане Парча. При ЯМР высокоочищенные растворы белка помещаются в магнит и подвергаются воздействию радиоволн. Результирующие магнитные возмущения их атомных ядер, собранные и отображенные с помощью программного обеспечения, могут раскрыть проницательному глазу расположение атомов белка. Если условия измерения настроены правильно, вы можете сделать вывод, как движется белок, связывая партнера, как он испытывает изменение температуры или как он переходит из одного состояния в другое. Когда Партч смотрит на радужные брызги данных ЯМР на графике XY, она видит быстрые движения металл-связывающих групп и медленное сворачивание белка.

Когда ее отделение Юго-западного медицинского центра UT наняло Такахаши, генетика, идентифицировавшего гены CLOCK и BMAL1, «поверьте, это я сама вкралась», — радостно сказала она. К моменту окончания университета она, Такахаши и их коллеги получили изображение комплекса CLOCK-BMAL1 с помощью кристаллографии.

В 2011 году, когда Партч переехал с Джеймсом и их маленьким сыном, чтобы начать ее лаборатория в Калифорнийском университете в Санта-Крузе она начинала с нуля. У нее не было проектов постдока, которые можно было бы продолжить. У нее была только особенность ее видения, чтобы понять часы, и, наконец, инструменты, чтобы реализовать их.

Белковый часовой механизм

За окном офиса Партча в Калифорнийском университете в Калифорнии лучи света просачиваются сквозь листья красного дерева. Здание физических наук расположено в лесу, где цветут слизевики, а деревья наклоняют листья, подчиняясь своим циркадным часам. Внутри студентов и туристов, пересекающих мшистую почву леса, CLOCK, BMAL1 и их молекулы-компаньоны заняты производством дневного белкового коктейля для организма. Именно здесь Партч получил возможность глубже взглянуть на биомеханику времени.

С самого начала она направлялась на неизведанную территорию. «Кэрри чрезвычайно уникальна», — сказал Брайан Золтовски из Южного методистского университета, который вместе с ней работал постдоком в лаборатории Гарднера. Он может пересчитать по пальцам лаборатории, занимающиеся детальной структурной биологией часов млекопитающих. Требуемые навыки являются эзотерическими, и риск потратить годы усилий ради незначительного прогресса велик.

Тем не менее Партч пробрался в неизвестность и начал отправлять обратно депеши. Со своей ученицей Челси Густафсон и Хайян Сюй из Университета Мемфиса она обнаружила, что CRY1 заставляет BMAL1 замолчать, конкурентно связываясь с его извивающийся, беспорядочный хвост; если хвост мутирует, часы отклоняются от темпа или даже полностью распадаются. Со своей ученицей Алисия Майкл, она обнаружила, что CLOCK прижимается к CRY1, используя потоки петля в карман в теме; если мутация разрушит карман, они не будут связаны. Мутация PER2 ухудшает его совместимость с партнерами по связыванию и делает его уязвим к деградации; этот дефект переводит часы на полтора часа вперед. Ориентация одинарной связи в хвосте BMAL1 может сократить день. Части часового механизма начали появляться из темноты.

Она зарекомендовала себя как коллекционер всех изменений, которые могут ускорить ход часов, замедлить их ход или полностью заставить их замолчать. «Кэрри пытается дойти до уровня понимания того, что представляют собой движения отдельных белков», — сказал Золтовски. Чем дольше Парч проводила с трансформирующимися часовыми белками, тем лучше она могла видеть их в своем уме и понимать, как они могут реагировать на лекарство или мутацию.

Ее результаты дали хронобиологии новый взгляд на то, как работают часовые белки. «Кэрри снова и снова обнаруживала, что большая часть важных биологических процессов происходит из частей белков, которые неструктурированы, очень гибки и динамичны», — сказал он. Энди ЛиВанг из Калифорнийского университета в Мерседе, структурный биолог, изучающий часы у цианобактерий. «То, что она делает с ЯМР, — это героизм».

К 2018 году Партч получил награды и собрал внушительный портфель грантов. Она входила в состав советов научных обществ. У нее родился второй сын, и она набрала группу студентов и постдоков, вдохновленных ее видением. Прия Кросби, недавний постдок в своей лаборатории, вспоминает, как встретила Парча на вечеринке и почувствовала трепет. Страсть Партча к пониманию часов была ощутима, и казалось, что все данные о них у нее были под рукой.

Примерно тогда у нее начали схватываться руки.

Ключ в работе

Сначала это были мелочи. «Мои руки на секунду замерзали», — сказала она. — Ты знаешь, что это неправильно. Врачи предположили, что это был стресс. Лишь в июне 2020 года, когда она вернулась в свою лабораторию после нескольких месяцев изоляции из-за пандемии Covid-19 и обнаружила, что лестница ее утомила, она стала настаивать на лучшем ответе. Почти шесть месяцев спустя ей поставили диагноз: БАС, или боковой амиотрофический склероз.

БАС убивает двигательные нейроны и разрушает способность контролировать движения. На первом месте идет мелкая моторика, а затем способность ходить и говорить. В конце концов, нейроны, контролирующие дыхание, угасают. После постановки диагноза люди, как правило, живут всего несколько лет.

Партч любил работать за лабораторным столом. Среди своих учеников она была известна тем, что сама проводила предварительные эксперименты, чтобы проверить, имеет ли идея потенциал. Она была привычным зрелищем в лаборатории: она суетилась вокруг ведер со льдом, утыканных тюбиками с белком.

«Моя последняя подготовка к протеину была в январе, около двух лет назад», — вспоминает она. "Что бумага в природа — у нас была первоначальная структура. Мы пытались произвести мутации, чтобы проверить, выдерживает ли он воду. … Я прошла через половину мутантов и подумала: «О боже!» Ведро со льдом в ее руках казалось свинцовым.

Партч теперь пользуется моторизованной инвалидной коляской. В здании лаборатории установили кнопки, с помощью которых она могла открывать двери, и Джеймс отвозит ее на работу. Она по-прежнему работает полный рабочий день: встречается со студентами, отправляет электронные письма, придумывает новые эксперименты. Говорить стало труднее, но ее разум не пострадал. Временами кажется, что неизвестность поднимается, и горе угрожает захлестнуть ее, но она позволяет этим моментам пройти. «Я пытаюсь жить», сказала она.

Есть еще сегодня. И сегодня, и сегодня, и сегодня, пока цикл может повторяться.

Универсальные истины времени

Туманное майское утро, примерно четыре часа после танца CLOCK и BMAL1. В офисе Парча она и Дикша Шарма, аспирант лаборатории, обсуждают свою страсть к свернутым сегментам белка, называемым доменами PAS. «Мы как две капли воды», — говорит Партч. Шарма проверяет, могут ли домены PAS в CLOCK и BMAL1 быть нацелены на библиотеку препаратов для контроля над часами. «Мы думаем, что это осуществимо», — говорит Партч.

В лаборатории работает группа студентов и постдоков. Рафаэль Роблес машет рукой и улыбается со скамейки, где готовит пробирки для белкового препарата. Студентов стало меньше, чем раньше, возможно, потому, что Партч больше не преподает. Ее аспирантка Меган Торгримсон, которая посещала занятия Партча в колледже, вспоминает свой магнетизм как лектора. Но хотя Партчу нравилось иметь рядом более молодых учеников, она считает, что больше места для работы для всех — это неплохо. «Я в восторге от каждого проекта, который сейчас ведется в лаборатории», — говорит она.

За последние три года были реализованы многие давние проекты. На экране в лаборатории постдок Джон Филпотт вытаскивает фигуру из группы Новый документ in Молекулярная клетка, касающийся мутации PER2, связанной с семейным расстройством фазы сна, состоянием, которое сокращает ежедневный цикл на целых четыре часа. На рисунке он показывает, что PER2 представляет собой массу преимущественно неупорядоченных регионов. «Это регионы, которые чрезвычайно важны», — говорит он. Пока Партч не доказал обратное, «большинство людей считали, что беспорядок — это нефункциональные элементы».

На совещании в лаборатории молодые ученые ведут обсуждение новых данных. Партч сидит в своем инвалидном кресле и слушает, время от времени вмешиваясь. «Лаборатория прекрасно справилась с неопределенностью» диагноза, говорит она мне. Теперь, когда она больше не может проводить эксперименты сама, она сосредотачивает большую часть своей энергии на том, чтобы направить их в правильном направлении.

В наши дни Партч все больше и больше думает о том, что является универсальным в измерении времени жизни. Несколько лет назад ЛиВан пригласил ее поработать с ним над часами из цианобактерий, которые не имеют ничего общего с человеческими часами. Он состоит всего из трех белков под названием KaiA, KaiB и KaiC, активность которых повышается и снижается в 24-часовом ритме, а также двух их партнеров по связыванию, которые управляют трансляцией генов. В 2017 году команда под руководством ЛиВанга и Парча выпущены подробные структуры каждого из комплексов, обнажая складки и извилины, позволяющие им прикрепляться друг к другу. Позже группа показала, что они могут поместить белки часов в пробирку и заставить их работать в течение нескольких дней, даже месяцев.

Они были увлечены записью того, как осуществляется этот цикл, когда Партч осознала то, что она видела, изучая человеческие часы: конкуренцию. Маленькая метка, с которой CRY1 связывается с BMAL1, также связывается с одним из самых сильных активаторов BMAL1. Если CRY1 вытеснит этот активатор, заняв его место в теге, часы смогут идти только вперед. Он вовлечен в этот процесс, ожидая минуты и часы, пока связь белка CRY1 не распадется и часовой цикл не начнется снова.

Партч понял, что в цианобактериальных часах конкуренция между компонентами работает таким же образом. Он также возникает в часах таких организмов, как черви и грибы. «Похоже, что этот принцип сохраняется в очень, очень разных часах», — сказала она. Она задается вопросом, отражает ли это фундаментальную биофизическую истину о том, как природа создает машины, которые двигаются вперед во времени, следуя по пути, с которого они не могут свернуть.

Время появления жизни на Марсе

Еще один рассвет. Солнечный свет проникает сквозь холодные просторы космоса вниз, на Землю, в фарфорово-голубые глаза Кэрри Партч. CLOCK и BMAL1 начинают свой танец. Она идет на работу. Она тусуется со своими мальчиками, которым 13 и 18 лет. Младший, который любит лазить по кроличьим норам на YouTube о химии, настаивает, чтобы они вместе посмотрели удивительно глупое часовое видео о том, как выделить ванилин из резиновых перчаток и превратить его в острый соус. Она думает о лентах и ​​катушках часовых белков. Некоторые люди, столкнувшиеся с ее диагнозом, возможно, решат, что пришло время сделать что-то другое, но Партч никогда не думал отвернуться от часов. Она хочет знать конец слишком многих историй.

Когда она представляет себе будущее, в котором мы действительно понимаем циркадную биологию, она представляет себе, что знает, что делают чьи-то часы в любой момент дня. В ответ на запрос предложений Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) однажды ей и ее коллегам пришла в голову идея создания назального зонда, который мог бы оценивать состояние ваших часов, передавать данные о них и, возможно, даже изменять их. DARPA, как известно, предпочитает далеко идущие предложения, но Партч шутит, что они превзошли DARPA, поскольку не получили денег. Она все еще думает о потенциале этого устройства.

Из всех вращающихся планет Солнечной системы именно эта с ее 24-часовым днем ​​сформировала нас. По этой причине возникают серьезные вопросы о том, как люди останутся здоровыми, если когда-нибудь попытаются жить на других планетах. Подобно карусели, вращение которой кажется плавным, пока вы не попытаетесь сойти с нее, земные циклы, укоренившиеся в наших клетках, могут опасно тянуть нас. «Они действительно привязывают нас к Земле», — сказал Партч.

Но она воображает, что сможет настроить динамику CLOCK, BMAL1 или одного из их многочисленных партнеров, чтобы космические путешественники не заболели из-за поврежденных часов. Природа предлагает вдохновение: мутация CRY1 обнаружена в лаборатории Майкл Янг в Университете Рокфеллера продлевает циркадный цикл человека примерно на 40 минут, обрекая его носителей на постоянно несовпадающий цикл сна на Земле. Партч отмечает, что это станет идеальным временем для жизни на Марсе.

Партч обнаруживает, что в последнее время ее голос подводит ее все больше. Она довольна полученным клоном своего голоса, созданным искусственным интеллектом, но она все еще сокращает выступления и путешествия. Ее отсутствие на встречах по циркадным часам бросается в глаза коллегам, поклонникам и друзьям. Современная хронобиология построена на научных достижениях лауреатов Нобелевской премии и других известных пионеров, а также на структурных деталях, которые она выявила. «Там гораздо более богатый мир», — сказал Гарднер. «И Кэрри Партч дала нам это».

В гостиной Партча, когда туман сгущается, приветствуя вечер, мы с ней говорим о писательнице Урсуле Ле Гуин, чьи произведения часто были озабочены временем. В ее романе УничтоженныйЛе Гуин писала о том, как привлечь время на свою сторону — как организовать свою жизнь так, чтобы ее течение несло вас в выбранном вами направлении. «Дело в том, чтобы работать со временем, а не против него», — написала она., «В том, что оно не потрачено впустую. Даже боль имеет значение».

— Время на твоей стороне? Я спрашиваю.

«Да», — говорит Партч. "Да, я так думаю."