Eksperter gennemgår, hvordan 12-timers biologiske cyklusser hos mus fungerer med spor hos mennesker

Eksperter gennemgår, hvordan 12-timers biologiske cyklusser hos mus fungerer med spor hos mennesker

Kunne din krops skjulte 12-timers ur rumme hemmeligheden bag metabolisk sundhed og sygdom? Ny forskning forbinder vores interne rytmer med gamle havvande.

Udgivet i en nylig anmeldelse i tidsskriftetNPJ Biologisk timing og søvnForskerne Patrick Emery og Frédéric Gachon undersøgte mekanismerne, den fysiologiske betydning og den potentielle evolutionære oprindelse af 12-timers biologiske rytmer hos pattedyr, herunder mennesker, og bestemte, om disse rytmer repræsenterer et unikt timingsystem eller er afledt af døgn- eller døgn-ure.

baggrund

Hvorfor aktiveres mange menneskelige gener to gange om dagen i stedet for én gang? Dette fascinerende mønster afspejler 12-timers biologiske rytmer også kaldet ultradian eller circasemidic cyklusser. Disse rytmer er velkendte hos havdyr, der reagerer på tidevandscyklusser. Imidlertid er lignende 12-timers mønstre blevet observeret i nyere undersøgelser af landdyr som mus og mennesker. Nogle forskere foreslår, at disse rytmer udviklede sig fra gamle tidevandsure, mens andre ser dem som særskilte og nødvendige for at håndtere fodring og stress. Fordi de regulerer vigtige processer som stofskifte og immunresponser, kan de give indsigt i lidelser som fedme og psykisk sygdom. Yderligere forskning er nødvendig for at identificere deres underliggende mekanismer.

Døgnrytme og cirkadiske rytmer: Lignende ure eller separate systemer?

Biologiske ure hjælper organismer med at tilpasse sig tilbagevendende miljøændringer. Døgnrytmer følger en 24-timers cyklus og styrer søvn, hormonfrigivelse og anden daglig adfærd. Disse rytmer reguleres af proteiner, herunder cirkadiske lokomotoriske outputcyklusser kaput (ur), hjerne og muskel arnt-lignende 1 (BMAL1), periode (per), kryptokrom (græd) og tidløs (TIM).

Cirkatidale rytmer set hos havdyr forekommer hver 12.4 time. Disse rytmer svarer til tidevandsbevægelser og hjælper arter som krabber, orme og krebsdyr med at overleve i kystnære habitater. For eksempel fortsætter det marine krebsdyr Eurydice Pulchra og amfipoden Parhyale Hawaaiensis med at udvise 12,4-timers adfærdsmønstre, selv når cirkadiske gener, såsom B. Per, bliver forstyrret. Dette antyder eksistensen af ​​en separat 12,4 timers oscillator, dog med mekanistisk overlap gennem BMAL1. Men hos andre krebsdyr som Eurydice Pulchra viser RNAi-undersøgelser, at døgnrytmer er uafhængige af centrale døgngener som Per og Clock, hvilket tyder på et komplekst forhold. Disse resultater demonstrerer, hvordan døgn- og cirkadiske mekanismer kan overlappe eller fungere uafhængigt afhængigt af organismen og konteksten.

12-timers genrytmer hos mus: Beyond the circadian clock

Opdagelsen af ​​12-timers genekspressionsmønstre i muselever afslørede en distinkt rytmisk cyklus adskilt fra 24-timers døgnuret. Disse ultradanske rytmer fortsætter også i konstant mørke og isolerede celler, hvilket tyder på kontrol ved stort set celle-autonome mekanismer snarere end hjernesignaler. Mange af de involverede gener er forbundet med stressresponset, mitokondriel aktivitet og det udfoldede proteinrespons (UPR). X-box-bindende protein 1 (XBP1), en transkriptionsfaktor aktiveret under endoplasmatisk retikulumstress, spiller en vigtig, men ikke eksklusiv rolle i reguleringen af ​​disse rytmer. Men når XBP1 blev slettet i muselever, fortsatte 12-timers rytmer, hvilket indikerer, at andre regulatoriske elementer er involveret. Dette har fået forskere til at stille spørgsmålstegn ved, om disse rytmer opstår fra en dedikeret 12-timers oscillator eller gennem interaktioner mellem fodring, spænding og døgnsignaler og er moduleret af fodringsrytmer og systemiske signaler. Aktuelle beviser tyder på, at flere overlappende systemer kan arbejde sammen for at generere og vedligeholde 12-timers genekspressionsmønstre hos pattedyr.

Er 12-timers rytmer til stede hos mennesker?

Menneskelige undersøgelser har bekræftet 12-timers genekspressionsmønstre. I en 48-timers undersøgelse af tre personer fulgte 653 gener en 12-timers cyklus, forskellig fra dem, der viste 24-timers døgnrytme. Disse ultradian gener var involveret i stress, metabolisme og immunfunktion og var meget ens i mus, især dem, der reguleres af XBP1. Selvom deltagerne kontrollerede deres egen belysning og måltider, hvilket kunne påvirke resultaterne, fremhæver den oprindelige forskning, at dette er en væsentlig begrænsning, og at miljømæssige eller adfærdsmæssige faktorer kan have bidraget til de observerede mønstre. Men overlapningen med musedata understøtter den biologiske relevans af disse rytmer. Timingen af ​​gentoppe varierede mellem individer, sandsynligvis påvirket af personlige vaner eller interne biologiske forskelle.

Kan 12-timers rytmer have tidevandsoprindelse?

Nogle forskere mener, at 12-timers rytmer hos pattedyr udviklede sig fra marine døgnure. Denne idé understøttes af overlappende genekspressionsmønstre mellem pattedyr og marine organismer, herunder cnidarians og limpets, hvor limpet-undersøgelsen er særlig bemærkelsesværdig for sin tidevandsinddragelse.

Denne evolutionære sammenhæng er dog fortsat usikker. Mange marine undersøgelser er blevet udført under lys-mørke cyklusser snarere end tidevandsforhold, hvilket har gjort det uklart, om de observerede 12-timers rytmer virkelig er passende eller påvirket af lys. Ydermere er nøgleveje såsom det udfoldede proteinrespons og lipidmetabolisme fundamentale for cellulær funktion på tværs af arter. Ligheden i rytmisk udtryk kan skyldes uafhængig evolution snarere end fælles herkomst. Undersøgelsen i Limpet C. Rota, udført under tidevandsforhold, giver en stærkere forbindelse. Samlet set er gennemgangen forsigtig med at skabe direkte evolutionære forbindelser, fordi konvergent evolution kan forklare lighederne observeret på tværs af arter.

Men gentagen observation af 12-timers rytmer i forskellige organismer understøtter deres funktionelle betydning. Disse rytmer kan hjælpe celler med at forberede sig på forudsigelige metaboliske eller miljømæssige ændringer, såsom: B. Fodringstider eller skift i kropstemperatur, som foreslået i "myldretidshypotesen" for metabolisk parathed.

Kliniske implikationer af forstyrrede 12-timers rytmer

Nye beviser tyder på, at ændrede 12-timers rytmer kan bidrage til menneskelig sygdom. I en undersøgelse viste hjerneprøver fra mennesker med skizofreni forstyrret 12-timers genekspression, især i veje forbundet med neuronal vedligeholdelse og proteinfoldning (udfoldet proteinrespons). Selvom det er uklart, om denne interferens bidrager til lidelsen eller resultaterne, tyder resultaterne på en udforskning af et forhold.

Hos mus er 12-timers rytmer følsomme over for metabolisk status. Fedme og uregelmæssige fodringsplaner dæmper disse cyklusser. Dette rejser muligheden for, at opretholdelse af sunde ultradian-rytmer kan hjælpe med at beskytte mod metaboliske og kognitive forstyrrelser. Ligesom døgnmedicin har transformeret tilgange til søvn og hormonforstyrrelser, har ultradisk kronobiologi potentialet til at informere fremtidige behandlingsstrategier for psykiatriske og metaboliske sygdomme, selvom der er behov for yderligere forskning.

Konklusioner

Tolv-timers rytmer er nu anerkendt som et nøglelag af biologisk timing, der regulerer kritiske processer såsom metabolisme, stressrespons og immunfunktion. Mens nogle 12-timers cyklusser ser ud til at stamme fra det cirkadiske system, kan andre være drevet af forskellige mekanismer, der involverer transkriptionsfaktorer såsom XBP1. Beviser fra marine arter, mus og mennesker fremhæver den udbredte tilstedeværelse og potentielle betydning af disse rytmer. Deres lidelse er blevet observeret ved tilstande som skizofreni og fedme. At forstå, hvordan disse ultradiske rytmer genereres og vedligeholdes, kan føre til innovative strategier til sygdomsforebyggelse og personlig medicinsk behandling.

Kilder: