Двигателят на ембрионалния часовник и въглехидратният метаболизъм
Ембриогенезата при бозайниците се подчинява на универсални генетични каскади, но физическото време, необходимо за изпълнението на тази програма, варира драстично. Докато на мишия ембрион са му нужни около 15 дни за изграждането на Основните органични системи, при човека същият архитектоничен план отнема 60 дни. В биологията на развитието тази времева диспропорция между сходни генетични структури се обозначава като алохрония. Търсенето на централния регулатор на този процес дълго време потъваше в хипотези за специфични транскрипционни фактори, докато изследователски екипи от Европейската лаборатория по молекулярна биология (EMBL) и Института „Макс Планк“ в Дрезден не насочиха вниманието си към фундаменталните процеси на протеиновото разграждане и метаболитния оборот.
Централна роля при измерването на времето в ембриона играе процесът на сомитогенеза — ритмичното образуване на тъканни блокове (сомити) по протежение на телесната ос, от които впоследствие се развиват прешлените, ребрата и скелетната мускулатура. Образуването на всеки нов сомит се управлява от т.нар. сегментационен часовник. Това е циклична промяна в активността на определени гени в клетките на пресомитния мезодерм. Протеинът HES7 действа като класически регулатор с отрицателна обратна връзка: натрупвайки се, той блокира транскрипцията на собствения си ген, а след разграждането му цикълът се рестартира. При мишите клетки един такъв цикъл отнема около 147 минути, докато при човешките клетки са необходими приблизително 322 минути.
За да се установи дали тази разлика е изолиран феномен на един-единствен транскрипционен фактор, или става дума за глобално забавяне на клетъчната машина, е приложен масов масспектрометричен анализ по метода SILAC (динамично маркиране на аминокиселини със стабилни изотопи). Експерименталният дизайн изисква генетично нокаутиране на гена HES7 чрез CRISPR/Cas9, за да се елиминират естествените ритмични колебания на протеиновите нива. Измерванията върху 3630 хомоложни протеина показват, че средният полуживот на протеините в мишите клетки е 24 часа, докато при човешките клетки той достига 37 часа.
Оказва се, че както убиквитин-протеазомната система, отговорна за разтворимите ядрени протеини, така и автофагозомно-лизозомната система, разграждаща мембранни и органелни структури, работят с намалена скорост в човешките тъкани. Ключът към този феномен лежи в базовия консумативен режим на клетката: човешките ембрионални предшественици усвояват значително по-малко глюкоза на единица маса. Когато миши клетки бъдат третирани с 2-дезокси-D-глюкоза (2DG) — химично съединение, което блокира гликолизата — периодът на полуразпад на Техните протеини се увеличава от 24 на 36 часа, а продължителността на цикъла HES7 се разтяга до нива, близки до човешките.
Това метаболитно "забавяне" има пряка причинно-следствена връзка, подкрепена от точкови мутации. При създаване на мутантна форма на мишия протеин Hes7 с замяна на лизин с аргинин на позиция 211 (K211R), молекулата губи мястото си за прикрепване на убиквитинов маркер. Резултатът е изкуствено удължаване на живота на протеина и автоматично забавяне на биохимичния часовник, без да се променя способността му да се свързва с ДНК. Подобен ефект се постига и при третиране на човешки клетки с протеазомния инхибитор бортезомиб, където времетраенето на цикъла се увеличава правопропорционално на дозата.
Въпреки тези данни, остават редица оперативни въпроси. Моделът с употреба на 2DG носи риск от страничен стрес върху ендоплазмения ретикулум, а скоростта на транскрипционния сплайсинг и синтеза на иРНК зависят предимно от митохондриалната функция, а не единствено от гликолитичния поток. Въпреки това, разкриването на връзката между скоростта на метаболитния оборот и протеомната стабилност дава ясна биохимична рамка на алохронията.
