Сменная работа может ускорить старение мышц через сбой их биологических часов

Нарушение циркадных ритмов ведет к преждевременному старению. Как и у всех периферических тканей, у скелетных мышц есть свои циркадные часы. Исследования на мышах показали, что они нужны для циркадной регуляции метаболизма липидов, глюкозы и белков. Но в целом о механизмах работы циркадных часов скелетных мышц известно мало. Ученые из Королевского колледжа Лондона ранее показали на рыбках данио, что мышцы растут неравномерно в течение дня, даже в отсутствие физической активности и кормления. А ингибирование работы протеасом усиливает рост мышц по ночам, но только при рабочих циркадных часах. Гены, кодирующие E3 лигазы, специфичные для мышц, экспрессируются ритмично, а пик их активности у рыбок данио приходится на субъективную ночь.

В новой работе авторы предположили, что циркадная деградация белков через убиквитин-протеасомную систему (УПС) контролирует скорость роста мышц и предотвращает саркопению (связанную с возрастом потерю скелетной мускулатуры). Макроаутофагия тоже разрушает белки в мышцах, контролирует мышечную массу и подчиняется циркадным ритмам. Но роль аутофагии в циркадном росте мышц неясна.

Для проверки гипотезы авторы снова использовали рыбок данио. Они получили линию рыбок с нарушенными циркадными часами в мышцах (mΔCLK). Ученые оценивали активность УПС и аутофагии, экспрессию генов-мишеней, рост и функциональные параметры мышц у таких рыбок.

У мутантных рыбок исчезала суточная разница в росте мышц, то есть они росли во время субъективной ночи. Это было связано со снижением уровня убиквитинирования белков и аутофагии через подавление активности MuRF и Ulk1 (ключевых белков УПС и аутофагии соответственно) ночью.

Блокирование УПС или аутофагии усиливало рост мышц ночью примерно в два раза. К пятому дню после оплодотворения у мутантных рыбок мышц было больше, чем у контрольных, но к 8–14 дню разница нивелировалась, возможно, под влиянием зейтгеберов (света, периодов кормления и активности). Мутантные рыбки нормально росли до 12 месяцев, но к 24 месяцам они были короче и весили меньше контролей, что свидетельствовало о нарушении роста мышц. Эффект не зависел от пола. Так что циркадные часы необходимы для поддержания мышечной массы при старении организма.

Таким образом, несмотря на временные выгоды от подавления ночного катаболизма, в долгосрочной перспективе это подрывает здоровье мышц. Мышечные периферические часы оказываются ключевыми для поддержания массы и функции мышц на протяжении жизни, помогая избегать накопления дефектных белков и предотвращая развитие саркопении.

Далее авторы изучили на мальках, как циркадные часы мышц регулируют их рост. Пик уровней мРНК и белка специфичной для мышц E3 лигазы MuRF у рыбок дикого типа приходился на субъективную ночь, когда мышцы растут медленнее. Это совпадало по времени с усилением убиквитинирования белков. Опыты подтвердили, что именно лигаза MuRF отвечала за усиление убиквитинирования.

У мутантных рыбок уровень транскрипции MuRF не колебался в течение суток, белок накапливался ночью, но пик был ниже на 20%. Соответственно, белки не так активно получали убиквитиновые метки. Однако активность протеасом не была затронута.

Аутофагия инициируется через активацию белка Ulk1, который подавлен через фосфорилирование Ser757 комплексом TORC1. Уровень белка Ulk1 тоже колеблется в течение суток, белок накапливается субъективной ночью. Аутофагия важна для деградации мышечных белков и торможения мышечного роста ночью. Но если УПС и аутофагию заблокировать одновременно, то аддитивного эффекта не наблюдается.

Далее ученые показали, что ночной катаболизм мышц регулируется циркадным балансом между транскрипционными факторами Ror и Rev-erb (Nr1d1/2), которые входят в стабилизирующий контур циркадных часов мышц. Эти белки управляют активностью сигнального пути TORC1.

Нарушение работы суточных часов мышц приводило к ночной активации TORC1 и усиленному фосфорилированию Ulk1, что снижало аутофагический поток и способствовало накоплению субстратов аутофагии. Это объясняет, почему у таких рыбок ночной рост мышц был повышен и нечувствителен к ингибиторам аутофагии: аутофагия оказывалась подавленной.

Также оказалось, что Nr1d1 стимулирует ночной рост мышц, подавляя аутофагию через TORC1, тогда как Ror сдерживает рост, активируя катаболические процессы. При нарушении баланса между ними активность TORC1 возрастает, аутофагия снижается, и ночной рост мышц выходит из-под контроля. Ингибирование Nr1d1/2 у рыбок с нарушенными часами возвращало ночной рост в норму.

Работа демонстрирует ключевую роль мышечных периферических циркадных часов в поддержании массы и функции мышц на протяжении всей жизни рыбок данио. Ночной катаболизм белков, регулируемый балансом между Ror и Rev-erb, предотвращает преждевременную саркопению. Эти данные связывают нарушения циркадных ритмов (например, при сменной работе, хроническом недосыпе или нейродегенеративных заболеваниях) с риском развития саркопении. Также авторы выявили новые возможности для разработки терапевтических стратегий, направленных на защиту мышц от возрастных изменений и последствий нарушения биоритмов.

Мелатонин активирует репарацию повреждений ДНК, вызванных работой по ночам