Молекула, влияющая на «биологические часы» организма, открывает новые возможности в лечении диабета

Биологи из Калифорнийского Университета в Сан-Диего (UC San Diego, США) выявили химическое вещество, способное стать основой абсолютно нового и многообещающего направления в разработке лекарственных препаратов для лечения нарушений метаболизма, таких как сахарный диабет II типа. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Открытие стало неожиданностью для ученых: выявленное вещество непосредственно не контролирует уровень выработки глюкозы в печени, а воздействует на активность ключевого белка, регулирующего внутренние механизмы дневной и ночной суточной активности организма - так называемые циркадные ритмы или «биологические часы».

Ученые давно предполагали, что диабет и ожирение могут быть связаны с циркадными ритмами. Так, например, у лабораторных мышей с искусственно измененными биологическими часами нередко развивались ожирение и диабет. Два года назад группа исследователей под руководством Стива Кея (Steve Kay), руководителя Отделения Биологических Наук (Division of Biological Sciences) при Калифорнийском Университете в Сан-Диего, обнаружила первую биохимическую связь между биологическими часами и диабетом. Ученые установили, что белок криптохром, регулирующий биологические ритмы у растений, насекомых и млекопитающих, контролирует уровень выработки глюкозы печенью, а изменение уровня этого белка может улучшить общее состояние мышей, страдающих сахарным диабетом.

У людей, равно как у мышей и других животных, хорошо развиты биохимические механизмы поддержания стабильного уровня глюкозы в головном мозге в ночное время, когда человек не принимает пищу, и поступления глюкозы в организм не происходит. В результате недавних исследований Кей и его коллеги обнаружили молекулу, контролирующую сложные молекулярные механизмы с участием криптохрома таким образом, что последний подавляет выработку глюкозы печенью. Структура соединения позволяет легко модифицировать его в лекарственный препарат.

«К концу ночи гормоны сигнализируют нам, что мы находимся в состоянии голода. Во время дневной активности «биологические часы» «выключают» этот сигнал, что побуждает печень к выработке глюкозы» , - рассказывает Кей.

Основной причиной диабета является накопление глюкозы в крови, что может вызвать развитие заболеваний сердца, инсультов, нарушения работы почек и слепоту. Диабет I типа вызван разрушением инсулин-вырабатывающих клеток в поджелудочной железе, в результате чего повышается уровень сахара в крови. При диабете II типа, составляющем до 90% случаев заболеваний диабетом, постепенная невосприимчивость к инсулину возникает в результате ожирения или других проблем, приводящих к повышению уровня сахара в крови.

В 2010 г. научная группа Кея обнаружила, что криптохром играет важную роль в регуляции внутренних «часов» циклических приемов пищи, сопоставляя ночное голодание с дневными приемами пищи, и, таким образом, поддерживая постоянство уровня сахара в крови. Кроме того, результаты исследований показали, что криптохром способен снижать уровень сахара, повышающегося при приеме противоастматических препаратов, подстраиваясь ко времени приема пациентом медикаментов.

Одним из самых последних открытий лаборатории Кея стала молекула, названная «KL001» (аббревиатура от the Kay Lab - Лаборатория Кея), также способная регулировать эту активность. Она замедляет биологические часы, стабилизируя белок криптохром и препятствуя его разрушению в «мусорной корзине» клетки - протеасоме.

Открытие KL001 оказалось полным сюрпризом для ученых, работающих над поиском молекул, замедляющих циркадные ритмы. Два года назад Тсюоши Хирота (Tsuyoshi Hirota), старший научный сотрудник лаборатории Кея, обнаружил вещество, которое, как оказалось, обладает наибольшим из известных влиянием на циркадный ритм. Это соединение биохимики прозвали «лонгдэйзин» (longdaysin, от англ. long day - длинный день), так как оно удлиняло продолжительность биологического дня клеток человека более чем на 10 часов.

Хирота продолжал поиск химических веществ, способных удлинять или укорачивать циркадные ритмы, давая возможность ученым лучше понять тонкую химическую и генетическую машинерию «биологических часов». Он и его коллеги в специальных микропробирках проанализировали тысячи веществ из химической библиотеки на клетках человека, в которых ген люциферазы светлячков был связан с механизмом биологических часов. В результате ученые могли наблюдать свечение каждый раз, как только происходила активация «биологических часов». В результате было обнаружено несколько соединений, одним из которых оказался KL001.

«Мы обнаружили и другие вещества, которые, подобно лонгдэйзину, замедляют биологические часы , - рассказывает Кей, - Но, в отличие от лонгдэйзина, эти соединения не ингибируют белки киназы. Таким образом, мы установили, что эти вещества работают различными способами. Однако нам необходимо было знать, с чем взаимодействует лонгдэйзин. Мы были абсолютно ошеломлены, когда обнаружили, что веществом, с которым он связывается наиболее специфически, является белок криптохром, уже более 20 лет исследующийся в нашей лаборатории» .

Сотрудничество с биохимиками из лаборатории Питера Шульца (Peter Schultz) в Исследовательском Институте Скриппса (The Scripps Research Institute) позволило охарактеризовать полученное вещество и выяснить его механизм действия на криптохром.

«Биохимические исследования показали, что KL001 предотвращает разрушение криптохрома системой протеасом, что стало еще одним сюрпризом , - поясняет Кей, -  Он «накладывается» на сигнал, маркирующий криптохром к деградации протеасомами» .

Для дальнейшего выяснения механического взаимодействия KL001 с криптохромом, исследователи обратились к группе Франка Дойла (Frank Doyle) из Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре (UC Santa Barbara). В результате была создана математическая модель роли криптохрома в регуляции циркадных ритмов, благодаря которой механизм действия вещества стал понятен.

Основываясь на математической модели, ученые прогнозируют, что введение KL001 в печень мышей может стабилизировать криптохром. Это приведет к увеличению концентрации этого белка, который будет ингибировать синтез в печени ферментов, стимулирующих процесс глюконеогенеза - синтеза глюкозы натощак. Эксперименты, проведенные совместно с лабораторией Дэвида Бреннера (David Brenner), руководителя Медицинской Школы при Калифорнийском Университете в Сан-Диего (UC San Diego School of Medicine), подтвердили правильность предположения.

«На клетках печени мыши мы показали, что KL001 ингибирует экспрессию генов, необходимых для осуществления глюконеогенеза, который активизируется при выработке гормона глюкагона, продуцирующегося в состоянии голода. Открытое нами соединение дозозависимым способом ингибирует печеночный глюконеогенез» , - рассказывает Кей.

По словам ученого, в результате дальнейшей работы его группа постарается понять, как KL001 и другие подобные молекулы влияют на действие криптохрома в живых организмах. Кроме того, исследователи планируют проверить влияние подобных веществ на другие процессы вне печени, которые могут установить связь биологических часов с нарушениями метаболизма.

«Как и любое случайное открытие, это открывает путь к новым возможностям для разработки методов лечения, которые мы сейчас можем только представлять» , - заключает исследователь.

По материалам University of California - San Diego

Оригинальная статья:

Tsuyoshi Hirota, Jae Wook Lee, Peter C. St. John, Mariko Sawa, Keiko Iwaisako, Takako Noguchi, Pagkapol Y. Pongsawakul, Tim Sonntag, David K. Welsh, David A. Brenner, Francis J. Doyle III, Peter G. Schultz, and Steve A. Kay. Identification of Small Molecule Activators of Cryptochrome. Science, July 12, 2012 DOI: 10.1126/science.1223710