Vnútorné hodiny u neurospóry

V živote živočíchov sa každodenne rytmicky strieda doba spánku s dobou aktivity. Mnohé ďalšie fyziologické zmeny prebiehajú cyklicky s periodou približne 24 hodín, u živočíchov dochádza v priebehu dňa napríklad ku zmenám telesnej teploty či krvného tlaku, u mnohých rastlín nájdeme každodenne sa opakujúce pohyby. Je zrejmé, že tieto rytmy bezprostredne súvisia so striedaním dňa a noci. V 18. storočí si ľudia všimli, že denný rytmus v pohyboch listov u rastlín ostáva zachovaný aj v prípade, že rastlina je pestovaná pri nemennom osvetlení. Od tých čias mnohé pokusy ukázali, že u všetkých eukaryotických a niektorých prokaryotických organizmov existujú akési „vnútorné hodiny“, ktoré udržujú denný rytmus organizmu (s periodou približne 24 hodín) aj v neperiodickom prostredí (pozri článok H. Illnerovej, Vesmír 76, 454, 1997/8). Ešte dlho potom však ostávala podstata týchto hodín záhadou.

Andrew J. Millar (Current Biology 7, R474, 1997) vysvetľuje (na základe práce S. K. Crostwaite, J. C. Dunlap, J. J. Loros, Science 276, 763–769, 1997) súčasnú predstavu o funkcii vnútorných hodín u huby Neurospora na molekulárnej úrovni. Boli identifikované dva gény, ktoré sa podieľajú na vzniku rytmov u spomínanej huby – gén frq (frequency) a gén wc (white collar).

V časoch, kedy jediným známym „hodinovým“ génom neurospóry bol gén frq, vyzerala predstava o fungovaní vnútorných hodín nasledovne: Vedelo sa, že koncentrácia frq-mRNA v bunke v priebehu dňa rytmicky kolíše, maximum dosahuje skoro ráno. Koncentrácia proteínu Frq, vznikajúceho prepisom frq-mRNA, sa tiež v priebehu dňa rytmicky mení a maximum dosahuje asi 4 hodiny po maxime frqmRNA. Vedci usudzovali, že zvýšené množstvo proteínu Frq inhibuje prepis génu frq do frq-mRNA. V priebehu neskorého dňa a včasnej noci dochádza postupne k degradácii proteínu Frq, takže jeho inhibičná aktivita sa oslabí a frq-gén sa môže opäť prepisovať. Tým sa celý cyklus uzatvára. Ostávali však mnohé nezodpovedané otázky, napríklad akým spôsobom inhibuje proteín Frq prepis génu frq, či ako je činnosť vnútorných hodín synchronizovaná so zmenami v prostredí.

V týchto procesoch zohráva dôležitú rolu gén wc. Je známe, že u húb so zmutovaným génom wc sú vnútorné hodiny poškodené. Súčasne bolo zistené, že proteín Wc obsahuje DNA väzbovú doménu a môže ovplyvňovať prepis génov. Tieto poznatky vedú k myšlienke, že proteín Wc aktivuje prepis génu frq. Vďaka tomu sa postupne hromadí proteín Frq, ktorý spätne inhibuje aktivitu proteínu Wc (napríklad priamou väzbou oboch proteínov). Pozmenený proteín Wc prestáva stimulovať prepis génu frq, čo vedie k poklesu koncentrácie proteínu Frq. Potom čo dôjde k rozkladu proteínu Frq, proteín Wc sa uvoľní a frq-gén sa začne opäť prepisovať. Cyklus sa uzatvorí.

Presný mechanizmus synchronizácie vnútorných hodín s vonkajším prostredím nie je známy, avšak výskum zameraný na „slepé“ mutanty, ktoré nereagujú na svetlo, identifikoval mutáciu iba v géne wc. Je možné, že gén wc sa podieľa na sprostredkovaní odpovede vnútorných hodín na svetlo.

Huba neurospora je z hľadiska fungovania vnútorných hodín jedným z najpreskúmanejších organizmov. Obľúbenou témou výskumníkov je dnes porovnávanie vnútorných hodín u rôznych organizmov a hľadanie prípadného jednotného hodinového mechanizmu v živej prírode.