Οι ειδικοί εξετάζουν πώς λειτουργούν οι βιολογικοί κύκλοι 12 ωρών στα ποντίκια με ενδείξεις στους ανθρώπους

Οι ειδικοί εξετάζουν πώς λειτουργούν οι βιολογικοί κύκλοι 12 ωρών στα ποντίκια με ενδείξεις στους ανθρώπους

Θα μπορούσε το κρυφό ρολόι των 12 ωρών του σώματός σας να κρύβει το μυστικό της μεταβολικής υγείας και ασθένειας; Νέα έρευνα συνδέει τους εσωτερικούς μας ρυθμούς με τις αρχαίες παλίρροιες των ωκεανών.

Δημοσιεύτηκε σε πρόσφατη κριτική στο περιοδικόNPJ Βιολογικός συγχρονισμός και ύπνοςΟι ερευνητές Patrick Emery και Frédéric Gachon εξέτασαν τους μηχανισμούς, τη φυσιολογική σημασία και την πιθανή εξελικτική προέλευση των 12ωρων βιολογικών ρυθμών στα θηλαστικά, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, και προσδιόρισαν αν αυτοί οι ρυθμοί αντιπροσωπεύουν ένα μοναδικό σύστημα χρονισμού ή προέρχονται από κιρκαδικά ή κιρκαδικά ρολόγια.

φόντο

Γιατί πολλά ανθρώπινα γονίδια ενεργοποιούνται δύο φορές την ημέρα και όχι μία φορά; Αυτό το συναρπαστικό μοτίβο αντανακλά 12ωρους βιολογικούς ρυθμούς που ονομάζονται επίσης υπερδιανοί ή κιρκασιμιδικοί κύκλοι. Αυτοί οι ρυθμοί είναι γνωστοί στα θαλάσσια ζώα που ανταποκρίνονται στους παλιρροιακούς κύκλους. Ωστόσο, παρόμοια μοτίβα 12 ωρών έχουν παρατηρηθεί σε πρόσφατες μελέτες σε χερσαία ζώα όπως τα ποντίκια και οι άνθρωποι. Μερικοί επιστήμονες προτείνουν ότι αυτοί οι ρυθμοί εξελίχθηκαν από τα αρχαία παλιρροϊκά ρολόγια, ενώ άλλοι τους θεωρούν διακριτούς και απαραίτητους για τη διαχείριση της διατροφής και του στρες. Επειδή ρυθμίζουν σημαντικές διαδικασίες όπως ο μεταβολισμός και οι ανοσολογικές αποκρίσεις, μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για διαταραχές όπως η παχυσαρκία και οι ψυχικές ασθένειες. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τον εντοπισμό των υποκείμενων μηχανισμών τους.

Κιρκάδιοι και κιρκάδιοι ρυθμοί: Παρόμοια ρολόγια ή ξεχωριστά συστήματα;

Τα βιολογικά ρολόγια βοηθούν τους οργανισμούς να προσαρμοστούν στις επαναλαμβανόμενες περιβαλλοντικές αλλαγές. Οι κιρκάδιοι ρυθμοί ακολουθούν έναν 24ωρο κύκλο και ελέγχουν τον ύπνο, την έκκριση ορμονών και άλλες καθημερινές συμπεριφορές. Αυτοί οι ρυθμοί ρυθμίζονται από πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων των κιρκαδικών κύκλων κινητικής εξόδου kaput (ρολόι), του εγκεφάλου και των μυών που μοιάζουν με 1 (BMAL1), της περιόδου (ανά), του κρυπτοχρωμίου (κλάμα) και του διαχρονικού (TIM).

Οι κιρκατιδικοί ρυθμοί που παρατηρούνται στα θαλάσσια ζώα εμφανίζονται κάθε 12,4 ώρες. Αυτοί οι ρυθμοί αντιστοιχούν σε παλιρροϊκές κινήσεις και βοηθούν είδη όπως τα καβούρια, τα σκουλήκια και τα καρκινοειδή να επιβιώσουν στους παράκτιους βιότοπους. Για παράδειγμα, το θαλάσσιο μαλακόστρακο Eurydice Pulchra και το αμφίποδο Parhyale Hawaaiensis συνεχίζουν να παρουσιάζουν μοτίβα συμπεριφοράς 12,4 ωρών ακόμη και όταν διαταράσσονται τα κιρκαδικά γονίδια, όπως το B. Per. Αυτό υποδηλώνει την ύπαρξη ενός ξεχωριστού ταλαντωτή 12,4 ωρών, αν και με μηχανιστική επικάλυψη μέσω του BMAL1. Ωστόσο, σε άλλα μαλακόστρακα όπως η Eurydice Pulchra, οι μελέτες RNAi δείχνουν ότι οι κιρκάδιοι ρυθμοί είναι ανεξάρτητοι από τα βασικά κιρκαδικά γονίδια όπως το Per και το Clock, υποδηλώνοντας μια πολύπλοκη σχέση. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν πώς οι κιρκάδιοι και οι κιρκαδικοί μηχανισμοί μπορούν να επικαλύπτονται ή να λειτουργούν ανεξάρτητα, ανάλογα με τον οργανισμό και το πλαίσιο.

Ρυθμοί γονιδίων 12 ωρών σε ποντίκια: Πέρα από το κιρκάδιο ρολόι

Η ανακάλυψη μοτίβων γονιδιακής έκφρασης 12 ωρών στο ήπαρ ποντικού αποκάλυψε έναν ξεχωριστό ρυθμικό κύκλο ξεχωριστό από το 24ωρο κιρκάδιο ρολόι. Αυτοί οι υπερδικοί ρυθμοί επιμένουν επίσης στο συνεχές σκοτάδι και σε απομονωμένα κύτταρα, υποδηλώνοντας έλεγχο από μηχανισμούς σε μεγάλο βαθμό αυτόνομους κυττάρους αντί για εγκεφαλικά σήματα. Πολλά από τα γονίδια που εμπλέκονται σχετίζονται με την απόκριση στο στρες, τη μιτοχονδριακή δραστηριότητα και την απόκριση της ξεδιπλωμένης πρωτεΐνης (UPR). Η πρωτεΐνη 1 που δεσμεύει το X-box (XBP1), ένας μεταγραφικός παράγοντας που ενεργοποιείται κατά το στρες του ενδοπλασματικού δικτύου, παίζει σημαντικό αλλά όχι αποκλειστικό ρόλο στη ρύθμιση αυτών των ρυθμών. Ωστόσο, όταν το XBP1 διαγράφηκε στο ήπαρ του ποντικιού, οι ρυθμοί 12 ωρών παρέμειναν, υποδεικνύοντας ότι εμπλέκονται και άλλα ρυθμιστικά στοιχεία. Αυτό οδήγησε τους ερευνητές στο ερώτημα εάν αυτοί οι ρυθμοί προκύπτουν από έναν αποκλειστικό ταλαντωτή 12 ωρών ή μέσω αλληλεπιδράσεων μεταξύ σημάτων τροφοδοσίας, τάσης και κιρκάδιου και διαμορφώνονται από τους ρυθμούς τροφοδοσίας και τις συστημικές ενδείξεις. Τα τρέχοντα στοιχεία υποδηλώνουν ότι πολλαπλά επικαλυπτόμενα συστήματα μπορούν να συνεργαστούν για να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν πρότυπα γονιδιακής έκφρασης 12 ωρών στα θηλαστικά.

Υπάρχουν ρυθμοί 12 ωρών στους ανθρώπους;

Ανθρώπινες μελέτες έχουν επιβεβαιώσει μοτίβα γονιδιακής έκφρασης 12 ωρών. Σε μια μελέτη 48 ωρών σε τρία άτομα, 653 γονίδια ακολούθησαν έναν κύκλο 12 ωρών, διαφορετικό από αυτά που έδειχναν 24ωρους κιρκάδιους ρυθμούς. Αυτά τα υπερδιαφανή γονίδια εμπλέκονταν στο στρες, τον μεταβολισμό και τη λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος και ήταν πολύ παρόμοια σε ποντίκια, ιδιαίτερα σε αυτά που ρυθμίζονται από το XBP1. Αν και οι συμμετέχοντες έλεγχαν μόνοι τους τον φωτισμό και τα γεύματά τους, τα οποία θα μπορούσαν να επηρεάσουν τα αποτελέσματα, η αρχική έρευνα υπογραμμίζει ότι αυτός είναι ένας σημαντικός περιορισμός και ότι περιβαλλοντικοί ή συμπεριφορικοί παράγοντες μπορεί να συνέβαλαν στα παρατηρούμενα μοτίβα. Ωστόσο, η επικάλυψη με δεδομένα ποντικιού υποστηρίζει τη βιολογική συνάφεια αυτών των ρυθμών. Ο χρόνος των κορυφών των γονιδίων διέφερε μεταξύ των ατόμων, πιθανότατα επηρεασμένος από προσωπικές συνήθειες ή εσωτερικές βιολογικές διαφορές.

Θα μπορούσαν οι ρυθμοί των 12 ωρών να έχουν παλιρροιακή προέλευση;

Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι οι ρυθμοί των 12 ωρών στα θηλαστικά προήλθαν από τα θαλάσσια κιρκάδια ρολόγια. Αυτή η ιδέα υποστηρίζεται από επικαλυπτόμενα μοτίβα γονιδιακής έκφρασης μεταξύ θηλαστικών και θαλάσσιων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των cnidarians και των limpets, με τη μελέτη του limpet να είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη για την παλιρροϊκή της συμπαράσταση.

Ωστόσο, αυτή η εξελικτική σύνδεση παραμένει αβέβαιη. Πολλές θαλάσσιες έρευνες έχουν διεξαχθεί κάτω από κύκλους φωτός-σκότους και όχι υπό παλιρροιακές συνθήκες, γεγονός που καθιστά ασαφές εάν οι παρατηρούμενοι ρυθμοί των 12 ωρών είναι πραγματικά κατάλληλοι ή επηρεάζονται από το φως. Επιπλέον, βασικές οδοί, όπως η αποδιπλωμένη πρωτεϊνική απόκριση και ο μεταβολισμός των λιπιδίων είναι θεμελιώδεις για την κυτταρική λειτουργία σε όλα τα είδη. Η ομοιότητα στη ρυθμική έκφραση μπορεί να προκύπτει από ανεξάρτητη εξέλιξη και όχι από κοινή καταγωγή. Η μελέτη στο Limpet C. Rota, που διεξήχθη υπό παλιρροϊκές συνθήκες, παρέχει μια ισχυρότερη σύνδεση. Συνολικά, η ανασκόπηση είναι προσεκτική όσον αφορά τη δημιουργία άμεσων εξελικτικών συνδέσεων, επειδή η συγκλίνουσα εξέλιξη μπορεί να εξηγήσει τις ομοιότητες που παρατηρούνται μεταξύ των ειδών.

Ωστόσο, η επαναλαμβανόμενη παρατήρηση των ρυθμών 12 ωρών σε διαφορετικούς οργανισμούς υποστηρίζει τη λειτουργική τους σημασία. Αυτοί οι ρυθμοί μπορούν να βοηθήσουν τα κύτταρα να προετοιμαστούν για προβλέψιμες μεταβολικές ή περιβαλλοντικές αλλαγές, όπως: Β. Χρόνοι σίτισης ή αλλαγές στη θερμοκρασία του σώματος, όπως προτείνεται στην υπόθεση της «ώρας αιχμής» για μεταβολική ετοιμότητα.

Κλινικές επιπτώσεις των διαταραγμένων ρυθμών 12 ωρών

Τα αναδυόμενα στοιχεία υποδηλώνουν ότι οι τροποποιημένοι ρυθμοί 12 ωρών μπορεί να συμβάλλουν στην ανθρώπινη ασθένεια. Σε μια μελέτη, δείγματα εγκεφάλου από άτομα με σχιζοφρένεια έδειξαν διαταραγμένη γονιδιακή έκφραση 12 ωρών, ιδιαίτερα σε μονοπάτια που σχετίζονται με τη νευρωνική συντήρηση και την αναδίπλωση πρωτεϊνών (απόκριση ξεδιπλωμένης πρωτεΐνης). Αν και δεν είναι σαφές εάν αυτή η παρέμβαση συμβάλλει στη διαταραχή ή στα αποτελέσματα, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν μια εξερεύνηση μιας σχέσης.

Στα ποντίκια, οι ρυθμοί των 12 ωρών είναι ευαίσθητοι στη μεταβολική κατάσταση. Η παχυσαρκία και τα ακανόνιστα προγράμματα σίτισης μειώνουν αυτούς τους κύκλους. Αυτό αυξάνει την πιθανότητα ότι η διατήρηση υγιών ρυθμών υπερδιαφανούς θα μπορούσε να βοηθήσει στην προστασία από μεταβολικές και γνωστικές διαταραχές. Ακριβώς όπως η κιρκαδική ιατρική έχει μεταμορφώσει τις προσεγγίσεις για τις διαταραχές του ύπνου και των ορμονικών διαταραχών, η ultradic χρονοβιολογία έχει τη δυνατότητα να ενημερώσει τις μελλοντικές στρατηγικές θεραπείας για ψυχιατρικές και μεταβολικές ασθένειες, αν και απαιτείται περαιτέρω έρευνα.

συμπεράσματα

Οι δωδεκάωροι ρυθμοί αναγνωρίζονται πλέον ως βασικό στρώμα βιολογικού χρονισμού, που ρυθμίζει κρίσιμες διαδικασίες όπως ο μεταβολισμός, η απόκριση στο στρες και η λειτουργία του ανοσοποιητικού. Ενώ ορισμένοι κύκλοι 12 ωρών φαίνεται να προέρχονται από το κιρκάδιο σύστημα, άλλοι μπορεί να οδηγούνται από διαφορετικούς μηχανισμούς που περιλαμβάνουν μεταγραφικούς παράγοντες όπως το XBP1. Στοιχεία από θαλάσσια είδη, ποντίκια και ανθρώπους υπογραμμίζουν την ευρεία παρουσία και τη δυνητική σημασία αυτών των ρυθμών. Η διαταραχή τους έχει παρατηρηθεί σε καταστάσεις όπως η σχιζοφρένεια και η παχυσαρκία. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο δημιουργούνται και διατηρούνται αυτοί οι υπερδιάστατοι ρυθμοί μπορεί να οδηγήσει σε καινοτόμες στρατηγικές για την πρόληψη ασθενειών και την εξατομικευμένη ιατρική περίθαλψη.

Πηγές: