Синаптическая активность и суточные ритмы
Известно, что фосфорилирование белков, обусловленное циркадными биоритмами, является ключевым механизмом временного распределения периодичности биологических процессов организма в течение суток.
В то же время фосфорилирование отдельных белков в тканях головного мозга коррелирует с циклами сон-бодрствование, которые, в свою очередь, обусловлены циркадными изменениями. Локальные процессы нейронального фосфорилирования играют основную роль в регуляции синаптических функций, обеспечивая быструю модуляцию активности протеинов. Последнее, в свою очередь, позволяет динамически масштабировать интенсивность синаптической передачи сигналов в ответ на циркадные ритмы или стимулы, обусловленные изменением цикла сон-бодрствование.
В недавно проведенном исследовании, результаты которого представлены хронобиологом медицинского факультета Института медицинской психологии Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене (Institute of Medical Psychology, Faculty of Medicine, Ludwig Maximilian University of Munich), Германия, а также научными сотрудниками Института фармакологии и токсикологии Цюрихского университета (Institute of Pharmacology and Toxicology, University of Zurich), Швейцария, было системно обоснованно биологическое значение цикла сон-бодрствование в фосфорилировании белков для дальнейшей регуляции активности межнейронной передачи многочисленных функциональных сетей головного мозга.
Цикл сон-бодрствование в регуляции синаптической активности
Внутренние биоритмы контролируют подавляющее большинство физиологических процессов в организме, в соответствии с ежедневных повторяющихся изменений окружающей среды, таких как чередование дня и ночи. Молекулярные механизмы циркадных ритмов модулируют процессы транскрипции, трансляции и активности белков, влияя таким образом на ежедневные изменения индивидуальной физиологии и поведения. Однако до недавнего времени воздействия циркадных ритмов и сна на молекулярные механизмы в клетках головного мозга оставались недостаточно понятными. Авторами новой работы получены доказательства того, что именно циклы сна-бодрствования играют центральную роль во временной регуляции многих аспектов синаптических функций.
Для комплексного анализа ритмов фосфорилирования белков, обусловленные циркадными и сонзависимыми сигналами, на биохимическом уровне осуществлено биохимическую изоляцию синаптонейросом переднего мозга лабораторных животных in vivo. В дальнейшем для оценки суточной динамики фосфорилирования были применены методы количественной протеомики на основе масс-спектрометрии. В результате ученым удалось исследовать формирование синаптической протеомы и фосфопротеомы в течение суток, а также оценить влияние на эти процессы депривации сна. Так, в одном из исследований было установлено, что при физиологических условиях, приближенных к природным ритмам жизни подопытных животных, около 25% из 8000 фосфорилирований синаптических протеинов в большинстве важных синапсов колеблется, формируя два основные пики активности: один – накануне пробуждения животного, второй – непосредственно перед ее засыпанием.
В то же время в параллельном исследовании, проведенном группой ученых Цюрихского университета, установлено, что содержание синаптических белков также обусловлен ритмикой циклических процессов сна и пробуждения. В частности, показано, что синаптическая активность выступает триггером циклического синтеза протеинов с молекул мессенджеров, ритмичное накопление которых происходит в течение дня. Также авторы акцентировали внимание на процессах перемещения и накопления молекул мессенджеров в синапсах преимущественно в ответ на циркадные колебания, в то время как синтез белков в полной мере зависит от циклов сна и пробуждения.
Практические выводы
Подводя итоги проведенного исследования, ученые выразили уверенность в том, что синаптическое фосфорилирование имеет решающее значение в регуляции синаптических функций, в частности на этапах перехода от сна к пробуждению. Зато авторы отметили отрицательную роли депривации сна, которая способствует почти абсолютному разрушению природных индивидуальных ритмов фосфорилирования синаптических белков. Основное клиническое значение экспериментальной работы ученые видят в получении убедительных доказательств того, что ключевые синаптические процессы, которые контролируют множество нейрональных сетей, включая процессы адаптации к изменениям и нейропластичности. Они регулируются во времени динамикой фосфорилирования белков в ответ на дежурство циклов сна и бодрствования.
В целом, по мнению авторов, углубленное понимание естественной ритмики фосфорилирования синаптических протеинов на системном уровне может иметь решающее значение для оценки нарушений межнейронной передачи в условиях патологии, а значит для доказательного объяснения роли биоритмических изменений в развитии распространенных заболеваний центральной нервной системы.