Experten überprüfen, wie 12-stündige biologische Zyklen bei Mäusen mit Hinweisen beim Menschen arbeiten

Könnte die versteckte 12-stündige Uhr Ihres Körpers das Geheimnis der metabolischen Gesundheit und Krankheit halten? Neue Forschung verbindet unsere inneren Rhythmen mit alten Ozean -Gezeiten.

In einer kürzlich im Journal veröffentlichten Rezension veröffentlicht NPJ Biologischer Timing und SchlafDie Forscher Patrick Emery und Frédéric Gachon untersuchten die Mechanismen, die physiologische Bedeutung und die potenziellen evolutionären Ursprünge von 12-stündigen biologischen Rhythmen bei Säugetieren, einschließlich Menschen, und stellten fest, ob diese Rhythmen ein eindeutiges Timing-System darstellen oder von zirkadianen oder zirkatiden Uhren abgeleitet sind.

Hintergrund

Warum werden viele menschliche Gene nicht einmal aktiv, sondern zweimal täglich? Dieses faszinierende Muster spiegelt 12-stündige biologische Rhythmen wider, die auch Ultradian- oder zirkasemidische Zyklen bezeichnet werden. Diese Rhythmen sind bei marinen Tieren bekannt, die auf Gezeitenzyklen reagieren. In jüngsten Studien an terrestrischen Tieren wie Mäusen und Menschen wurden jedoch ähnliche 12-Stunden-Muster beobachtet. Einige Wissenschaftler schlagen vor, dass sich diese Rhythmen aus alten Gezeitenaktuhren entwickelt haben, während andere sie als deutlich und notwendig ansehen, um Fütterung und Stress zu bewältigen. Da sie wichtige Prozesse wie Stoffwechsel und Immunantworten regulieren, können sie Einblicke in Störungen wie Fettleibigkeit und psychische Erkrankungen ermöglichen. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um ihre zugrunde liegenden Mechanismen zu identifizieren.

Zirkadiane und zirkatidale Rhythmen: Ähnliche Uhren oder getrennte Systeme?

Biologische Uhren helfen Organismen, sich an wiederkehrende Umweltveränderungen anzupassen. Zirkadiane Rhythmen folgen einem 24-Stunden-Zyklus und kontrollieren Schlaf, Hormonfreisetzung und andere tägliche Verhaltensweisen. Diese Rhythmen werden durch Proteine ​​reguliert, einschließlich zirkadianer Lokomotor-Ausgangszyklen Kaput (Uhr), Gehirn und Muskel arnt-ähnlich 1 (BMAL1), Periode (per), Kryptochrom (Cry) und zeitlos (TIM).

Zirkatidale Rhythmen, die bei marinen Tieren zu beobachten sind, treten alle 12,4 Stunden auf. Diese Rhythmen entsprechen den Gezeitenbewegungen und helfen, Arten wie Krabben, Würmer und Krebstiere zu helfen, in Küstenlebensräumen zu überleben. Zum Beispiel zeigen das Marine Crustacean Eurydice Pulchra und die Amphipod Parhyale Hawaaiensis weiterhin 12,4-stündige Verhaltensmuster, selbst wenn zirkadiane Gene, wie z. B. Per, gestört werden. Dies deutet auf die Existenz eines separaten 12,4-stündigen Oszillators hin, allerdings mit einer mechanistischen Überlappung durch BMAL1. In anderen Krebstieren wie Eurydice Pulchra zeigen RNAi -Studien jedoch, dass zirkatidale Rhythmen unabhängig von zirkadianen Kerngenen wie Per und Clock sind, was auf eine komplexe Beziehung hinweist. Diese Ergebnisse zeigen, wie sich zirkadiane und zirkatidale Mechanismen abhängig vom Organismus und des Kontextes unabhängig überschneiden oder arbeiten können.

12-stündige Genrhythmen bei Mäusen: Jenseits der zirkadianen Uhr

Die Entdeckung von 12-stündigen Genexpressionsmustern in der Mausleber ergab einen unterschiedlichen rhythmischen Zyklus, der von der 24-Stunden-zirkadianen Uhr getrennt ist. Diese ultradischen Rhythmen bestehen auch in konstanter Dunkelheit und isolierten Zellen, was auf die Kontrolle durch weitgehend zellautonome Mechanismen und nicht durch Hirnsignale hindeutet. Viele der beteiligten Gene sind mit der Stressreaktion, der mitochondrialen Aktivität und der entfalteten Proteinantwort (UPR) verbunden. Das X-Box-Bindungsprotein 1 (XBP1), ein Transkriptionsfaktor, der während endoplasmatischer Retikulumstress aktiviert ist, spielt eine wichtige, aber nicht ausschließliche Rolle bei der Regulierung dieser Rhythmen. Wenn XBP1 jedoch in der Mausleber gelöscht wurde, bestanden 12-Stunden-Rhythmen an, was darauf hinweist, dass andere regulatorische Elemente beteiligt sind. Dies hat die Forscher dazu veranlasst, zu fragen, ob diese Rhythmen aus einem dedizierten 12-Stunden-Oszillator oder durch Wechselwirkungen zwischen Fütterung, Spannung und zirkadianen Signalen entstehen und durch Fütterung von Rhythmen und systemischen Hinweisen moduliert werden. Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass mehrere überlappende Systeme zusammenarbeiten können, um 12-stündige Genexpressionsmuster bei Säugetieren zu generieren und aufrechtzuerhalten.

Sind 12-Stunden-Rhythmen beim Menschen vorhanden?

Menschliche Studien haben 12-Stunden-Genexpressionsmuster bestätigt. In einer 48-stündigen Studie von drei Personen folgten 653 Gene einem 12-stündigen Zyklus, der sich von denen unterscheidet, die 24-Stunden-zirkadiane Rhythmen zeigten. Diese ultradianischen Gene waren an Stress, Stoffwechsel und Immunfunktion beteiligt und ähnelten sehr bei Mäusen, insbesondere bei denen, die durch XBP1 reguliert wurden. Obwohl die Teilnehmer ihre eigenen Beleuchtung und Mahlzeiten kontrollierten, was die Ergebnisse beeinflussen könnte, zeigt die ursprüngliche Forschung hervor, dass dies eine signifikante Einschränkung ist und dass Umwelt- oder Verhaltensweisen möglicherweise zu den beobachteten Mustern beigetragen haben. Die Überlappung mit Mausdaten unterstützt jedoch die biologische Relevanz dieser Rhythmen. Der Zeitpunkt der Genpeaks variierte zwischen Individuen, wahrscheinlich beeinflusst von persönlichen Gewohnheiten oder internen biologischen Unterschieden.

Könnten 12-Stunden-Rhythmen Gezeitenursprünge haben?

Einige Wissenschaftler glauben, dass sich 12-Stunden-Rhythmen bei Säugetieren aus marinen zirkatiden Uhren entwickelt haben. Diese Idee wird durch überlappende Genexpressionsmuster zwischen Säugetieren und Meeresorganismen, einschließlich Cnidariern und Limpets, unterstützt, wobei die Limpet -Studie besonders bemerkenswert war, da sie Gezeiten mitgenommen hat.

Diese evolutionäre Verbindung bleibt jedoch ungewiss. Viele Meeresuntersuchungen wurden unter helldarken Zyklen und nicht unter Gezeitenbedingungen durchgeführt, was es unklar gemacht hat, ob die beobachteten 12-Stunden-Rhythmen wirklich geeignet sind oder von Licht beeinflusst werden. Darüber hinaus sind wichtige Wege wie die entfaltete Proteinantwort und der Lipidstoffwechsel von grundlegender Bedeutung für die Zellfunktion über die Spezies hinweg von grundlegender Bedeutung. Die Ähnlichkeit in der rhythmischen Expression könnte eher aus der unabhängigen Evolution als aus einer gemeinsamen Abstammung resultieren. Die Studie in der Limpet C. Rota, die unter Gezeitenbedingungen durchgeführt wurde, bietet eine stärkere Verbindung. Insgesamt trifft die Überprüfung vorsichtig bei der Herstellung direkter evolutionärer Verbindungen, da die konvergente Entwicklung die bei Arten beobachteten Ähnlichkeiten erklären kann.

Die wiederholte Beobachtung von 12-Stunden-Rhythmen in verschiedenen Organismen unterstützt jedoch ihre funktionale Bedeutung. Diese Rhythmen können die Zellen helfen, sich auf vorhersehbare Stoffwechsel- oder Umweltveränderungen vorzubereiten, wie z. B. Fütterungszeiten oder Verschiebungen der Körpertemperatur, wie in der „Rush Hour“ -Hypothese für die metabolische Bereitschaft vorgeschlagen.

Klinische Implikationen gestörter 12-Stunden-Rhythmen

Aufkommende Beweise deuten darauf hin, dass veränderte 12-Stunden-Rhythmen zur menschlichen Krankheit beitragen können. In einer Studie zeigten Gehirnproben von Menschen mit Schizophrenie eine gestörte 12-stündige Genexpression, insbesondere in Wegen, die mit neuronaler Aufrechterhaltung und Proteinfaltung verbunden waren (entfaltete Proteinantwort). Obwohl unklar ist, ob diese Störung zur Störung oder zu den Ergebnissen beiträgt, deuten die Ergebnisse auf eine Erkundung eines Zusammenhangs hin.

Bei Mäusen sind 12-stündige Rhythmen empfindlich gegenüber dem Stoffwechselstatus. Fettleibigkeit und unregelmäßige Fütterungspläne dämpfen diese Zyklen. Dies erhöht die Möglichkeit, dass die Aufrechterhaltung gesunder ultradianer Rhythmen dazu beitragen könnte, vor metabolischen und kognitiven Störungen zu schützen. So wie die zirkadiane Medizin die Ansätze für Schlaf- und Hormonerkrankungen verändert hat, hat die ultradische Chronobiologie das Potenzial, zukünftige Behandlungsstrategien für psychiatrische und metabolische Erkrankungen zu informieren, obwohl weitere Forschungen erforderlich sind.

Schlussfolgerungen

Zwölfstündige Rhythmen werden heute als Schlüsselschicht des biologischen Timings erkannt und kritische Prozesse wie Stoffwechsel, Stressreaktion und Immunfunktion regulieren. Während einige 12-Stunden-Zyklen aus dem zirkadianen System zu stammen scheinen, können andere von unterschiedlichen Mechanismen angetrieben werden, die Transkriptionsfaktoren wie XBP1 betreffen. Nachweis von Meeresarten, Mäusen und Menschen unterstreicht die weit verbreitete Präsenz und die potenzielle Bedeutung dieser Rhythmen. Ihre Störung wurde unter Bedingungen wie Schizophrenie und Fettleibigkeit beobachtet. Das Verständnis, wie diese ultradianischen Rhythmen erzeugt und aufrechterhalten werden, kann zu innovativen Strategien zur Prävention von Krankheiten und personalisierter medizinischer Versorgung führen.

Quellen: