Eksperdid vaatavad läbi, kuidas 12-tunnised bioloogilised tsüklid hiirtel töötavad inimeste vihjetega

Eksperdid vaatavad läbi, kuidas 12-tunnised bioloogilised tsüklid hiirtel töötavad inimeste vihjetega

Kas teie keha peidetud 12-tunnine kell võib hoida metaboolse tervise ja haiguste saladust? Uued uuringud seovad meie sisemised rütmid iidse ookeani loodetega.

Avaldatud hiljutises ülevaates ajakirjasNPJ Bioloogiline ajastus ja uniTeadlased Patrick Emery ja Frédéric Gachon uurisid 12-tunnise bioloogilise rütmi mehhanisme, füsioloogilist tähtsust ja võimalikku evolutsioonilist päritolu imetajatel, sealhulgas inimestel, ning tegid kindlaks, kas need rütmid kujutavad endast ainulaadset ajastussüsteemi või on need tuletatud tsirkadiaansetest või ööpäevaringsetest kelladest.

taustal

Miks paljud inimese geenid aktiveeruvad kaks korda päevas, mitte üks kord? See põnev muster peegeldab 12-tunniseid bioloogilisi rütme, mida nimetatakse ka ultradiaan- või tsirkasemiidideks. Need rütmid on hästi teada mereloomadel, kes reageerivad loodete tsüklitele. Sarnaseid 12-tunniseid mustreid on aga täheldatud ka hiljutistes maismaaloomade, näiteks hiirte ja inimeste uuringutes. Mõned teadlased väidavad, et need rütmid arenesid välja iidsetest loodete kelladest, samas kui teised peavad neid eristatavateks ja vajalikeks toitumise ja stressi juhtimiseks. Kuna need reguleerivad olulisi protsesse, nagu ainevahetus ja immuunvastused, võivad nad anda ülevaate sellistest häiretest nagu rasvumine ja vaimuhaigused. Nende aluseks olevate mehhanismide tuvastamiseks on vaja täiendavaid uuringuid.

Ööpäevased ja tsirkatiidsed rütmid: sarnased kellad või eraldi süsteemid?

Bioloogilised kellad aitavad organismidel kohaneda korduvate keskkonnamuutustega. Tsirkadiaanrütmid järgivad 24-tunnist tsüklit ja kontrollivad und, hormoonide vabanemist ja muud igapäevast käitumist. Neid rütme reguleerivad valgud, sealhulgas ööpäevased lokomotoorsed väljundtsüklid kaput (kell), aju ja lihaste arnt-like 1 (BMAL1), periood (per), krüptokroom (nutt) ja ajatu (TIM).

Mereloomadel täheldatud tsirtsiidaalsed rütmid esinevad iga 12,4 tunni järel. Need rütmid vastavad loodete liikumisele ja aitavad sellistel liikidel nagu krabid, ussid ja koorikloomad rannikuäärsetes elupaikades ellu jääda. Näiteks mere koorikloom Eurydice Pulchra ja amfipood Parhyale Hawaaiensis näitavad jätkuvalt 12,4-tunnist käitumismustrit isegi siis, kui ööpäevased geenid, nagu B. Per, on häiritud. See viitab eraldiseisva 12,4-tunnise ostsillaatori olemasolule, ehkki mehaanilise kattumisega BMAL1 kaudu. Teiste koorikloomade, nagu Eurydice Pulchra, puhul näitavad RNAi uuringud aga, et ööpäevased rütmid on sõltumatud tsirkadiaansetest tuumageenidest, nagu Per ja Clock, mis viitab keerulisele suhtele. Need tulemused näitavad, kuidas ööpäevased ja ööpäevased mehhanismid võivad olenevalt organismist ja kontekstist kattuda või toimida iseseisvalt.

12-tunnised geenirütmid hiirtel: väljaspool ööpäevast kella

12-tunniste geeniekspressioonimustrite avastamine hiire maksas näitas 24-tunnisest ööpäevasest kellast eraldiseisvat rütmilist tsüklit. Need ülikõrged rütmid püsivad ka pidevas pimeduses ja isoleeritud rakkudes, mis viitab kontrollile peamiselt raku-autonoomsete mehhanismide, mitte ajusignaalide kaudu. Paljud kaasatud geenid on seotud stressivastuse, mitokondriaalse aktiivsuse ja voltimata valgu vastusega (UPR). X-boxi siduv valk 1 (XBP1), endoplasmaatilise retikulumi stressi ajal aktiveeritud transkriptsioonifaktor, mängib nende rütmide reguleerimisel olulist, kuid mitte ainuõiget rolli. Kui aga XBP1 hiire maksast kustutati, püsisid 12-tunnised rütmid, mis näitab, et kaasatud on ka muud reguleerivad elemendid. See on pannud teadlasi küsima, kas need rütmid tulenevad spetsiaalsest 12-tunnisest ostsillaatorist või söötmise, pinge ja ööpäevaste signaalide vastastikmõjudest ning neid moduleerivad söötmisrütmid ja süsteemsed näpunäited. Praegused tõendid näitavad, et mitmed kattuvad süsteemid võivad koos töötada, et luua ja säilitada imetajatel 12-tunniseid geeniekspressioonimustreid.

Kas inimestel on 12-tunnised rütmid?

Inimuuringud on kinnitanud 12-tunniseid geeniekspressiooni mustreid. Kolme inimesega läbi viidud 48-tunnises uuringus järgis 653 geeni 12-tunnist tsüklit, mis erines nendest, mis näitasid 24-tunnist ööpäevarütmi. Need ultradiaan geenid olid seotud stressi, ainevahetuse ja immuunfunktsiooniga ning olid väga sarnased hiirtel, eriti neil, mida reguleerib XBP1. Kuigi osalejad kontrollisid oma valgustust ja sööki, mis võis tulemusi mõjutada, rõhutatakse esialgses uuringus, et see on märkimisväärne piirang ja et keskkonna- või käitumuslikud tegurid võisid vaadeldavaid mustreid kaasa aidata. Kuid kattumine hiire andmetega toetab nende rütmide bioloogilist tähtsust. Geenipiikide ajastus varieerus indiviidide lõikes, tõenäoliselt mõjutasid isiklikud harjumused või sisemised bioloogilised erinevused.

Kas 12-tunnistel rütmidel võib olla loodete päritolu?

Mõned teadlased usuvad, et 12-tunnised rütmid imetajatel arenesid välja mere tsirkadiaansetest kelladest. Seda ideed toetavad kattuvad geeniekspressioonimustrid imetajate ja mereorganismide, sealhulgas lindude ja lonkade vahel, kusjuures lonkade uuring on eriti tähelepanuväärne selle loodete kaasahaaramise tõttu.

See evolutsiooniline seos on aga endiselt ebakindel. Paljud mereuuringud on läbi viidud pigem valguse-pimeduse tsüklites, mitte mõõnatingimustes, mistõttu on jäänud ebaselgeks, kas vaadeldud 12-tunnised rütmid on tõesti sobivad või valgusest mõjutatud. Lisaks on liikidevahelise rakufunktsiooni jaoks olulised võtmeteed, nagu voltimata valgu vastus ja lipiidide metabolism. Rütmilise väljenduse sarnasus võib tuleneda pigem sõltumatust evolutsioonist kui ühisest esivanemast. Uuring Limpet C. Rotas, mis viidi läbi loodete tingimustes, annab tugevama ühenduse. Üldiselt on ülevaade otseste evolutsiooniliste seoste loomisel ettevaatlik, kuna konvergentne evolutsioon võib selgitada liikide vahel täheldatud sarnasusi.

12-tunniste rütmide korduv jälgimine erinevates organismides toetab aga nende funktsionaalset tähtsust. Need rütmid võivad aidata rakkudel valmistuda prognoositavateks metaboolseteks või keskkonnamuutusteks, näiteks: B. Toitmisajad või kehatemperatuuri muutused, nagu on välja pakutud metaboolse valmisoleku tipptunni hüpoteesis.

Häiritud 12-tunnise rütmi kliinilised tagajärjed

Uued tõendid näitavad, et muutunud 12-tunnised rütmid võivad kaasa aidata inimeste haigustele. Ühes uuringus näitasid skisofreeniaga inimestelt võetud ajuproovid häiritud 12-tunnist geeniekspressiooni, eriti neuronite säilitamise ja valkude voltimisega seotud radadel (voldimata valgu vastus). Kuigi on ebaselge, kas see sekkumine aitab kaasa häirele või tulemustele, viitavad tulemused suhte uurimisele.

Hiirtel on 12-tunnised rütmid metaboolse seisundi suhtes tundlikud. Ülekaalulisus ja ebaregulaarsed toitumisgraafikud summutavad neid tsükleid. See suurendab võimalust, et tervete ultradiaanide rütmide säilitamine võib aidata kaitsta metaboolsete ja kognitiivsete häirete eest. Nii nagu ööpäevane meditsiin on muutnud lähenemisviise une- ja hormonaalsetele häiretele, võib ultrakroonobioloogia anda teavet psühhiaatriliste ja metaboolsete haiguste tulevaste ravistrateegiate kohta, kuigi on vaja täiendavaid uuringuid.

Järeldused

Kaheteistkümnetunnised rütmid on nüüdseks tunnistatud bioloogilise ajastuse võtmekihiks, mis reguleerib kriitilisi protsesse, nagu ainevahetus, stressireaktsioon ja immuunfunktsioon. Kuigi mõned 12-tunnised tsüklid näivad pärinevat ööpäevasest süsteemist, võivad teised olla tingitud erinevatest mehhanismidest, mis hõlmavad transkriptsioonifaktoreid, nagu XBP1. Tõendid mereliikidelt, hiirtelt ja inimestelt näitavad nende rütmide laialdast esinemist ja potentsiaalset tähtsust. Nende häiret on täheldatud selliste seisundite puhul nagu skisofreenia ja rasvumine. Nende ultradiaanide rütmide loomise ja säilitamise mõistmine võib viia uuenduslike strateegiateni haiguste ennetamiseks ja personaalseks arstiabiks.

Allikad: