В наших клеточных часах она нашла открытия, которых хватит на всю жизнь.

На протяжении десятилетий Кэрри Парч возглавляла новаторские структурные исследования белкового механизма, отслеживающего наш циркадный ритм. Время по-прежнему на её стороне? Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Сегодня утром, когда взошло солнце, миллиарды людей открыли глаза и впустили в свои тела луч света из космоса. Когда поток фотонов достиг сетчатки, нейроны активизировались. И в каждом органе, почти в каждой клетке, заработал сложный механизм. Циркадные часы каждой клетки, комплекс белков, уровень которых повышается и понижается в зависимости от положения солнца, заработали.

Эти биологические часы синхронизируют наши тела с циклом смены дня и ночи на планете, контролируя экспрессию более 40% нашего генома. Гены, отвечающие за иммунные сигналы, сигналы мозга и ферменты печени, — это лишь некоторые из них, и все они транскрибируются для синтеза белков, когда часы дают сигнал о необходимости.

Это значит, что с биохимической точки зрения вы не тот же человек в 10 вечера, что и в 10 утра. Это значит, что вечера — более опасное время для приема больших доз обезболивающего парацетамола: ферменты печени, защищающие от передозировки, в это время становятся дефицитными. Это значит, что вакцины, вводимые утром и вечером, действуют по-разному, и что у работников ночной смены, которые постоянно не соблюдают режим сна, выше уровень сердечно-сосудистых заболеваний и диабета. Люди, у которых часы спешат или замедляются, оказываются в ужасном состоянии постоянной смены часовых поясов.

«Мы связаны с этим днем таким образом, что, как мне кажется, люди просто откладывают его на потом», — говорит мне биохимик Кэрри Парч. Она утверждает, что если мы лучше поймем работу часов, мы, возможно, сможем их перенастроить. Обладая этой информацией, мы сможем повлиять на лечение различных заболеваний, от диабета до рака.

Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.

Более четверти века Парч живет среди тех, кто управляет циркадными ритмами, — белков, чьи подъемы и спады контролируют их работу. Будучи постдокторантом, она впервые визуализировала связанную пару белков, лежащих в их основе, — CLOCK и BMAL1. С тех пор она продолжает изучать завитки и изгибы этих и других белков циркадных часов, отслеживая, как изменения в их структуре добавляют или вычитают время из суток. Ее достижения в стремлении к этим знаниям принесли ей одни из самых высоких наград в этой области науки: премию Маргарет Окли Дейхофф от Биофизического общества в 2018 году и премию Национальной академии наук в области молекулярной биологии в 2022 году.

В речи Парч ощущается неумолимость времени — то, что оно меняет нас, хотим мы этого или нет, — её голос пронизан тихой тревогой. Её собственный жизненный путь принял неожиданный оборот; на пике карьеры ей приходится отойти от лабораторных работ. В 2020 году, в возрасте 47 лет, ей поставили диагноз боковой амиотрофический склероз, также известный как болезнь Лу Герига. В среднем люди живут от трёх до пяти лет после постановки диагноза БАС.

Но это не помешало ей размышлять о белках, регулирующих циркадные ритмы.

Она рассматривает их, склонив голову, свет отражается от ее очков, пока мы сидим в ее гостиной в холмах недалеко от Санта-Круз, Калифорния. Полдень, примерно шесть часов с тех пор, как солнечные фотоны привели в действие CLOCK и BMAL1 в ее клетках и в клетках каждого человека на Западном побережье.

В своем воображении она видит белки, каждый из которых представляет собой ленту из аминокислот, свернутых вокруг себя. У BMAL1 есть своего рода талия, которую CLOCK обхватывает, словно танцовщица. Каждое утро на рассвете эта пара занимает места на плотно свернутой массе генома и призывает ферменты, которые транскрибируют ДНК. В течение дня они заставляют другие белки выходить из клеточного механизма, включая несколько, которые в конечном итоге затмевают их силу. Около 10 часов вечера три белка находят опору на CLOCK и BMAL1, подавляя их активность и удаляя их из генома. Процесс транскрипции ДНК меняется. Наконец, в глубине ночи, четвертый белок захватывает метку на конце BMAL1 и предотвращает дальнейшую активацию.

Секунды превращаются в минуты, минуты — в часы. Время идёт. Постепенно репрессивная четвёрка белков распадается. Ранним утром CLOCK и BMAL1 снова запускаются, чтобы возобновить цикл.

Каждый день вашей жизни эта система связывает фундаментальные биологические процессы организма с движением планеты. Каждый день вашей жизни, пока она длится. Никто не понимает этого глубже, чем Парч.

Химия и часы

Летом перед пятым классом, когда Парч было 10 лет, её отец, плотник по профессии, сломал запястье, играя в футбол. Пока он ждал, когда рана заживёт, он посещал занятия по химии в местном колледже. Он показал ей, как уравновешивать химическое уравнение во дворе их дома под Сиэтлом, на доске, прислонённой к дереву. Так началось её знакомство с химией.

«Я до сих пор помню, как меня поражала математическая точность химии — она сильно отличалась от биологии, которой нас учили в школе в том возрасте», — сказала она.

Вспоминая свои студенческие годы в Вашингтонском университете, она с ироничной усмешкой признается, что особенно запомнились концерты — поездки в Олимпию на выступления Sleater-Kinney, Mudhoney и Nirvana — и книги таких авторов, как Урсула Ле Гуин. Но ее также очаровал курс по химии живых организмов. После окончания университета она устроилась техником в Университет здравоохранения и науки штата Орегон в Портленде. С каждым днем она все больше влюблялась в научные исследования. В 2000 году она и ее парень, Джеймс, музыкант и графический дизайнер, переехали в Университет Северной Каролины в Чапел-Хилле, чтобы она могла начать свою докторскую диссертацию.

Вскоре после приезда она познакомилась с человеком, который познакомил её с биологическими часами. Она посещала занятия у молекулярного биолога Азиза Санкара, известного своими работами по восстановлению ДНК. «Меня поразила невероятная точность, с которой он объяснял нам основные научные понятия», — сказала она. «Я подумала: „Чувак, этот парень такой умный“». Санкар, получивший Нобелевскую премию в 2015 году, изучал класс белков, называемых криптохромами, в который входят белки биологических часов CRY1 и CRY2. У каждого организма, от цианобактерий до секвой, есть биологические часы, но белки, управляющие каждой системой, разные. У млекопитающих наиболее важными белками, помимо CLOCK и BMAL1, являются формы PER и CRY.

Будучи аспирантом в лаборатории Санкара, Парч обнаружил, что у CRY1 есть загадочный, неструктурированный хвост. Никто не знал, для чего нужен этот участок белка, но, с другой стороны, никто толком не знал, как все эти спирали и ленты белков циркадного ритма приводят к их удивительным эффектам. И, к удивлению Парча, это, похоже, никого особо и не волновало. Джозеф Такахаши и его коллеги из Северо-Западного университета всего за несколько лет до этого с большим успехом определили гены CLOCK и BMAL1; среди многих ученых бытовало мнение, что основная работа уже сделана.

Это даже не осталось невысказанным. На конференции в 2002 году Парч поделилась с несколькими коллегами, что хочет понять структуру белков. «Почему?» — спросили они. — «Мы и так всё знаем». Парч вежливо, но категорично не согласилась.

После окончания университета она начала работать в Юго-западном медицинском центре Техасского университета в качестве постдока в лаборатории Кевина Гарднера, биохимика и структурного биолога, ныне работающего в Центре передовых научных исследований при аспирантуре Городского университета Нью-Йорка. Там она надеялась более четко изучить белки, участвующие в работе циркадных часов, освоив две сложные, но эффективные методики.

Поэт теней

«Соприкосновение круглого белка с квадратным белком — это волшебство»: так Гарднер резюмирует неопределенность в отношении молекулярной структуры, которую, по его опыту, многие биологи готовы принять, поскольку никто не может сосредоточиться на каждом аспекте каждой системы. Но в Парче он увидел родственную душу, человека, стремящегося разобрать белки и понять их, и одаренного почти энциклопедической памятью на литературу о циркадных ритмах.

Работая с ним, Парч освоила кристаллографию белков: как смешивать растворы, из которых кристаллизуется очищенный белок; как пропускать рентгеновские лучи через кристаллическую решетку; как определять форму белка по едва заметным оттенкам на дифракционной картине. Кристаллограф подобен поэту теней — Розалинд Франклин, чьи изображения позволили Уотсону и Крику определить структуру ДНК, была кристаллографом. Для Парч туманные серые изображения кристаллографии обещали заглянуть в структуры, которые она планировала изучать всю свою жизнь.

Однако кристаллография имеет свои ограничения. Она может показать только те формы белков, которые достаточно стабильны для кристаллизации, и предоставляет лишь моментальный снимок этих застывших структур. Парч знал, что статичные формы, изображающие белки на схемах в учебниках, скрывают истину. Белок может «складывать ножки», скручиваться, как храповой механизм, или распрямляться и складываться в странную новую форму. Некоторые белки также сильно неупорядочены, с длинными, мягкими, похожими на спагетти нитями аминокислот, соединяющими их более упорядоченные участки.

Вот почему спектроскопия ядерного магнитного резонанса, или ЯМР, также фигурировала в плане Парч. В ЯМР высокоочищенные растворы белка помещаются в магнит и подвергаются воздействию радиоволн. Возникающие магнитные возмущения их атомных ядер, обрабатываемые и отображаемые программным обеспечением, могут показать расположение атомов белка внимательному глазу. Если условия измерения правильно настроены, можно сделать вывод о том, как белок движется при связывании с партнером, как он реагирует на изменение температуры или как переходит из одного состояния в другое. Когда Парч рассматривает радужное пятно данных ЯМР на XY-диаграмме, она видит быстрые движения групп, связывающих металлы, и медленное сворачивание белка.

Когда ее отделение в Медицинском центре Юго-Западного Техасского университета пригласило Такахаши, генетика, идентифицировавшего гены CLOCK и BMAL1, «можете не сомневаться, я сама в него вмешалась», — радостно сказала она. К моменту ухода из университета она, Такахаши и их коллеги получили изображение комплекса CLOCK-BMAL1 с помощью кристаллографии.

В 2011 году, когда Парч переехала с Джеймсом и их маленьким сыном, чтобы основать свою лабораторию в Калифорнийском университете в Санта-Крузе, ей приходилось начинать с нуля. У нее не было проектов, над которыми она работала после защиты диссертации. В ее распоряжении была лишь уникальная способность понять принцип работы часов и, наконец, инструменты для его реализации.

Белковый часовой механизм

За окном кабинета Парча в Калифорнийском университете в Санта-Круз лучи света пробиваются сквозь листья секвойи. Здание факультета физических наук расположено в лесу, где цветут слизистые грибы, а деревья склоняют листья, подчиняясь своим циркадным ритмам. Внутри студенты и туристы, пересекающие мшистый лесной покров, наблюдают за работой белков CLOCK, BMAL1 и их молекул-компаньонов, которые производят «дневной коктейль» белков для организма. Именно здесь Парч получил возможность глубже изучить биомеханику времени.

С самого начала она двигалась в неизведанную область. «Кэрри — совершенно уникальный человек», — сказал Брайан Золтовски из Южного методистского университета, который работал с ней в лаборатории Гарднер в качестве постдока. Он может по пальцам одной руки пересчитать лаборатории, которые занимаются детальной структурной биологией биологических часов млекопитающих. Требуемые навыки весьма специфичны, и риск потратить годы на незначительный прогресс очень велик.

Тем не менее, Парч погрузилась в неизвестность и начала отправлять отчеты. Вместе со своей студенткой Челси Густафсон и Хайяном Сюй из Университета Мемфиса она обнаружила, что CRY1 подавляет BMAL1, конкурируя за связывание с его извивающимся, неупорядоченным хвостом; если хвост мутирует, часы сбиваются с темпа или даже полностью распадаются. Вместе со своей студенткой Алисией Майкл она обнаружила, что CLOCK прилегает к CRY1, продевая петлю в карман на нем; если мутация разрушает этот карман, они не связываются. Мутация в PER2 ухудшает его прилегание к партнерам по связыванию и делает его уязвимым для деградации; этот дефект переводит часы на полтора часа вперед. Ориентация одинарной связи в хвосте BMAL1 может сократить день. Части часового механизма начали выходить из темноты.

Она прославилась как коллекционер всех изменений, которые могут ускорить, замедлить или полностью заглушить работу биологических часов. «Кэрри пытается досконально изучить движение отдельных белков», — сказал Золтовски. Чем дольше Парч изучала изменяющиеся белки биологических часов, тем лучше она могла их представить и понять, как они могут реагировать на лекарства или мутации.

Ее открытия дали хронобиологии новый взгляд на работу белков, регулирующих биологические процессы. «Кэрри снова и снова обнаруживает, что большая часть важных биологических процессов происходит в тех частях белков, которые не имеют четкой структуры, обладают высокой гибкостью и динамичностью», — говорит Энди ЛиВан из Калифорнийского университета в Мерседе, структурный биолог, изучающий биологические часы у цианобактерий. «То, что она делает с помощью ЯМР, — это героический поступок».

К 2018 году Парч получила множество наград и собрала внушительный портфель грантов. Она входила в состав советов научных обществ. У нее родился второй сын, и она набрала группу студентов и постдокторантов, вдохновленных ее видением. Прия Кросби, недавно ставшая постдокторантом в ее лаборатории, вспоминает, как познакомилась с Парч на вечеринке и была поражена. Страсть Парч к изучению часов была очевидна, и казалось, что она владеет всеми необходимыми данными по этой теме.

Примерно в это время у нее начали затекать руки.

Неполадка в механизме

Сначала это были мелочи. «У меня на секунду замирали руки, — сказала она. — Знаете, это ненормально». Врачи предположили, что это стресс. Только в июне 2020 года, когда она вернулась в свою лабораторию после нескольких месяцев изоляции из-за пандемии Covid-19 и обнаружила, что лестница ее изматывает, она стала добиваться более убедительного объяснения. Почти шесть месяцев спустя ей поставили диагноз: БАС, или боковой амиотрофический склероз.

Боковой амиотрофический склероз (БАС) поражает двигательные нейроны и разрушает способность контролировать движения. Сначала страдают мелкая моторика, затем способность ходить и говорить. В конечном итоге разрушаются нейроны, контролирующие дыхание. После постановки диагноза люди, как правило, живут всего несколько лет.

Парч обожала работать за лабораторным столом. Среди своих студентов она была известна тем, что самостоятельно проводила предварительные эксперименты, чтобы проверить, есть ли у той или иной идеи потенциал. Ее часто можно было увидеть в лаборатории, суетящейся с ведрами со льдом, усеянными пробирками с белком.

«Последний раз я занималась подготовкой белка в январе, примерно два года назад», — вспоминала она. «В той статье в журнале Nature у нас была исходная структура. Мы пытались создавать мутации, чтобы посмотреть, выдержит ли она воду… Я обработала половину мутантов и подумала: „Боже мой!“» Ведро со льдом ощущалось в ее руках как свинец.

Парч теперь передвигается в инвалидной коляске с электроприводом. В лабораторном здании установлены кнопки для открывания дверей, и Джеймс возит её на работу. Она по-прежнему работает полный рабочий день — встречается со студентами, отправляет электронные письма, придумывает новые эксперименты. Говорить стало сложнее, но это никак не влияет на её психику. Порой кажется, что неизвестность всплывает наружу, и горе грозит её захлестнуть, но она позволяет этим моментам пройти. «Я пытаюсь жить», — сказала она.

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

Вселенские истины времени

Туманное майское утро, прошло около четырех часов с начала взаимодействия CLOCK и BMAL1. В кабинете Парч она и Дикша Шарма, аспирантка лаборатории, обсуждают свою страсть к свернутым белковым сегментам, называемым PAS-доменами. «Мы как две капли воды», — говорит Парч. Шарма проверяет, можно ли использовать PAS-домены в CLOCK и BMAL1 в качестве мишени для набора лекарств, позволяющих контролировать работу часов. «Мы считаем, что это осуществимо», — говорит Парч.

В лаборатории группа студентов и аспирантов занята работой. Рафаэль Роблес машет рукой и улыбается со стола, где он готовит пробирки для выделения белка. Студентов стало меньше, чем раньше, возможно, потому что Парч больше не преподает. Ее аспирантка Меган Торгримсон, которая посещала занятия Парч в колледже, вспоминает ее магнетизм как лектора. Но хотя Парч нравилось иметь рядом молодых подопечных, она считает, что больше места для работы всех — это неплохо. «Я в восторге от каждого проекта в лаборатории прямо сейчас», — говорит она.

За последние три года многие давние проекты принесли свои плоды. На экране в лаборатории научный сотрудник Джон Филпотт показывает рисунок из новой статьи группы в журнале Molecular Cell, посвященной мутации в гене PER2, связанной с семейным расстройством фаз сна — состоянием, которое сокращает суточный цикл на целых четыре часа. Он указывает на рисунке, что PER2 представляет собой совокупность преимущественно неупорядоченных участков. «Это чрезвычайно важные участки», — говорит он. До того, как Парч показал обратное, «большинство людей считали, что неупорядоченность — это нефункциональные части».

На лабораторном совещании молодые ученые руководят обсуждением новых данных. Парч сидит в инвалидном кресле и слушает, изредка вмешиваясь. «Лаборатория отлично справляется с неопределенностью» в отношении диагноза, говорит она мне. Теперь, когда она больше не может проводить эксперименты сама, она направляет большую часть своей энергии на то, чтобы направлять их в нужное русло.

В последнее время Парч все чаще задумывается о том, что является универсальным в измерении времени в жизни. Несколько лет назад Ли Ван пригласил ее поработать с ним над изучением часов в цианобактериях, которые не имеют ничего общего с человеческими часами. Они состоят всего из трех белков, называемых KaiA, KaiB и KaiC, активность которых повышается и понижается в 24-часовом ритме, и двух их связывающих партнеров, которые управляют трансляцией генов. В 2017 году команда под руководством Ли Вана и Парч опубликовала подробные структуры каждого из комплексов, показав складки и изгибы, которые позволяют им соединяться друг с другом. Позже группа показала, что они могут поместить белки часов в пробирку и заставить их циклически работать в течение нескольких дней, даже месяцев.

Они были глубоко погружены в изучение того, как работает этот цикл, когда Парч заметила то, что видела, изучая человеческие часы: конкуренцию. Маленький участок, где CRY1 связывается с BMAL1, также является местом связывания одного из самых сильных активаторов BMAL1. Если CRY1 вытесняет этот активатор, занимая его место на участке, часы могут только двигаться вперед. Они застревают в этом процессе, ожидая минуты и часы, пока связь белка CRY1 не распадется и цикл часов не начнется заново.

Парч поняла, что в часах цианобактерий конкуренция между компонентами работает аналогичным образом. Она также проявляется в часах таких организмов, как черви и грибы. «Похоже, это консервативный принцип в совершенно разных часах», — сказала она. Она задается вопросом, отражает ли это фундаментальную биофизическую истину о том, как природа создает машины, которые движутся вперед во времени, следуя по пути, с которого они не могут свернуть.

Время появления жизни на Марсе

Ещё один рассвет. Солнечный свет пробивается сквозь холодные просторы космоса, достигая Земли и попадая в голубые, как фарфор, глаза Кэрри Парч. CLOCK и BMAL1 начинают свой танец. Она идёт на работу. Она проводит время со своими сыновьями, которым 13 и 18 лет. Младший, который любит погружаться в дебри YouTube, изучая химию, настаивает на том, чтобы они вместе посмотрели удивительно забавное часовое видео о выделении ванилина из резиновых перчаток и превращении его в острый соус. Она думает о лентах и спиралях белков часов. Некоторые люди, столкнувшись с её диагнозом, могли бы решить, что пора что-то изменить, но Парч никогда не думала о том, чтобы отвернуться от часов. Она хочет узнать конец слишком многих историй.

Когда она представляет себе будущее, в котором мы действительно понимаем циркадную биологию, она воображает, что может знать, как работают биологические часы человека в любой момент дня. В ответ на конкурс предложений от Агентства перспективных оборонных исследований (DARPA) она и ее коллеги однажды придумали идею носового зонда, который мог бы оценивать состояние биологических часов, передавать данные о них и, возможно, даже изменять их. DARPA, как известно, отдает предпочтение смелым предложениям, но Парч шутит, что они превзошли DARPA, поскольку не получили денег. Она до сих пор думает о потенциале этого устройства.

Из всех вращающихся планет Солнечной системы именно эта, с её 24-часовыми сутокми, сформировала нас. По этой причине возникают важные вопросы о том, как люди смогут оставаться здоровыми, если когда-нибудь попытаются жить на других планетах. Подобно карусели, вращение которой кажется плавным, пока вы не попытаетесь сойти, земные циклы, заложенные в наших клетках, могут опасно влиять на нас. «Они действительно привязывают нас к Земле», — сказал Парч.

Но она представляет себе возможность регулировать динамику CLOCK, BMAL1 или одного из их многочисленных партнеров, чтобы космические путешественники не заболевали из-за повреждения биологических часов. Природа предлагает некоторое вдохновение: мутация в CRY1, обнаруженная в лаборатории Майкла Янга в Рокфеллеровском университете, удлиняет циркадный цикл человека примерно на 40 минут, обрекая его носителей на постоянно несовпадающий цикл сна на Земле. Парч отмечает, что это обеспечило бы идеальное время для жизни на Марсе.

Кэрри Парч замечает, что в последнее время её голос всё больше подводит её. Она довольна созданным с помощью ИИ клоном своего голоса, но всё же сократила количество выступлений и поездок. Её отсутствие на совещаниях, посвящённых циркадным ритмам, бросается в глаза коллегам, поклонникам и друзьям. Современная хронобиология основана на научных достижениях лауреатов Нобелевской премии и других известных первопроходцев, а также на структурных деталях, которые она выявила. «Там гораздо более богатый мир, — сказал Гарднер. — И именно Кэрри Парч подарила его нам».

В гостиной Парч, когда туман рассеивается, приветствуя вечер, мы с ней говорим о писательнице Урсуле Ле Гуин, чьи произведения часто были посвящены теме времени. В своем романе «Обездоленные» Ле Гуин писала о том, как использовать время в своих интересах — как устроить свою жизнь так, чтобы ее течение вел тебя в выбранном тобой направлении. «Суть в том, чтобы работать со временем, а не против него, — писала она, — что оно не тратится впустую. Даже боль имеет значение».

«Время играет вам на руку?» — спрашиваю я.

«Да, — говорит Парч. — Да, я так думаю».

Источник: www.quantamagazine.org