Asiantuntijat tarkastelevat, kuinka 12 tunnin biologiset syklit hiirillä toimivat vihjeiden kanssa ihmisillä

Asiantuntijat tarkastelevat, kuinka 12 tunnin biologiset syklit hiirillä toimivat vihjeiden kanssa ihmisillä

Voisiko kehosi piilotettu 12 tunnin kello pitää sisällään aineenvaihdunnan terveyden ja sairauksien salaisuuden? Uusi tutkimus yhdistää sisäiset rytmimme muinaisiin valtamerten vuorovesiin.

Julkaistu tuoreessa katsauksessa lehdessäNPJ Biologinen ajoitus ja uniTutkijat Patrick Emery ja Frédéric Gachon tutkivat 12 tunnin biologisten rytmien mekanismeja, fysiologista merkitystä ja mahdollista evoluution alkuperää nisäkkäillä, mukaan lukien ihmiset, ja määrittelivät, edustavatko nämä rytmit ainutlaatuista ajoitusjärjestelmää vai ovatko ne peräisin vuorokausi- tai vuorokausikelloista.

tausta

Miksi monet ihmisen geenit aktivoituvat kahdesti päivässä yhden kerran? Tämä kiehtova kuvio heijastaa 12 tunnin biologisia rytmejä, joita kutsutaan myös ultradiaaniksi tai sirkasemidisiksi sykleiksi. Nämä rytmit ovat hyvin tunnettuja merieläimissä, jotka reagoivat vuorovesisykleihin. Samanlaisia ​​12 tunnin kuvioita on kuitenkin havaittu viimeaikaisissa tutkimuksissa maaeläimillä, kuten hiirillä ja ihmisillä. Jotkut tutkijat ehdottavat, että nämä rytmit ovat kehittyneet muinaisista vuorovesikelloista, kun taas toiset näkevät ne erillisinä ja välttämättöminä ruokinnan ja stressin hallitsemiseksi. Koska ne säätelevät tärkeitä prosesseja, kuten aineenvaihduntaa ja immuunivasteita, ne voivat tarjota näkemyksiä sairauksista, kuten liikalihavuudesta ja mielenterveyssairauksista. Lisätutkimusta tarvitaan niiden taustalla olevien mekanismien tunnistamiseksi.

Vuorokausirytmit ja vuorokausirytmit: samanlaiset kellot vai erilliset järjestelmät?

Biologiset kellot auttavat organismeja sopeutumaan toistuviin ympäristömuutoksiin. Vuorokausirytmit noudattavat 24 tunnin kiertoa ja säätelevät unta, hormonien vapautumista ja muuta päivittäistä käyttäytymistä. Näitä rytmejä säätelevät proteiinit, mukaan lukien vuorokausiliikkumissyklit kaput (kello), aivojen ja lihasten arnt-like 1 (BMAL1), jakso (per), kryptokromi (itku) ja ajaton (TIM).

Merieläimillä havaittuja kiertokulkurytmejä esiintyy 12,4 tunnin välein. Nämä rytmit vastaavat vuorovesiliikkeitä ja auttavat lajeja, kuten rapuja, matoja ja äyriäisiä, selviytymään rannikon elinympäristöissä. Esimerkiksi meriäyriäinen Eurydice Pulchra ja amfijalka Parhyale Hawaaiensis osoittavat edelleen 12,4 tunnin käyttäytymismalleja, vaikka vuorokausigeenejä, kuten B. Per, häiriintyy. Tämä viittaa erillisen 12,4 tunnin oskillaattorin olemassaoloon, vaikkakin mekaanisella päällekkäisyydellä BMAL1:n kautta. Kuitenkin muissa äyriäisissä, kuten Eurydice Pulchrassa, RNAi-tutkimukset osoittavat, että vuorokausirytmit ovat riippumattomia vuorokausirytmien ydingeeneistä, kuten Per ja Clock, mikä viittaa monimutkaiseen suhteeseen. Nämä tulokset osoittavat, kuinka vuorokausi- ja vuorokausimekanismit voivat olla päällekkäisiä tai toimia itsenäisesti organismista ja kontekstista riippuen.

12 tunnin geenirytmit hiirillä: vuorokausikellon ulkopuolella

12 tunnin geeniekspressiomallien löytäminen hiiren maksassa paljasti selkeän rytmisen syklin, joka on erillinen 24 tunnin vuorokausikellosta. Nämä ultraääniset rytmit jatkuvat myös jatkuvassa pimeydessä ja eristetyissä soluissa, mikä viittaa pääosin solujen autonomisten mekanismien ohjaukseen aivosignaalien sijaan. Monet mukana olevista geeneistä liittyvät stressivasteeseen, mitokondrioaktiivisuuteen ja laskostumattomaan proteiinivasteeseen (UPR). X-boxin sitova proteiini 1 (XBP1), transkriptiotekijä, joka aktivoituu endoplasmisen retikulumin stressin aikana, näyttelee tärkeätä mutta ei yksinomaan roolia näiden rytmien säätelyssä. Kuitenkin, kun XBP1 poistettiin hiiren maksasta, 12 tunnin rytmit säilyivät, mikä osoittaa, että muut säätelyelementit ovat mukana. Tämä on saanut tutkijat kyseenalaistamaan, syntyvätkö nämä rytmit erillisestä 12 tunnin oskillaattorista vai vuorovaikutuksesta syöttö-, jännite- ja vuorokausisignaalien välillä, ja niitä moduloivat syöttörytmit ja systeemiset vihjeet. Nykyiset todisteet viittaavat siihen, että useat päällekkäiset järjestelmät voivat toimia yhdessä luodakseen ja ylläpitääkseen 12 tunnin geeniekspressiomalleja nisäkkäissä.

Onko ihmisillä 12 tunnin rytmejä?

Ihmistutkimukset ovat vahvistaneet 12 tunnin geeniekspressiomallit. Kolmen ihmisen 48 tunnin tutkimuksessa 653 geeniä seurasi 12 tunnin sykliä, joka poikkesi niistä, jotka osoittivat 24 tunnin vuorokausirytmiä. Nämä ultradiaaniset geenit osallistuivat stressiin, aineenvaihduntaan ja immuunitoimintaan ja olivat hyvin samankaltaisia ​​hiirillä, erityisesti niillä, joita säätelee XBP1. Vaikka osallistujat kontrolloivat omaa valaistustaan ​​ja aterioitaan, mikä saattoi vaikuttaa tuloksiin, alkuperäinen tutkimus korostaa, että tämä on merkittävä rajoitus ja että ympäristö- tai käyttäytymistekijät ovat saattaneet vaikuttaa havaittuihin malleihin. Päällekkäisyys hiiren tietojen kanssa tukee kuitenkin näiden rytmien biologista merkitystä. Geenihuippujen ajoitus vaihteli yksilöiden välillä, mikä todennäköisesti vaikutti henkilökohtaisiin tottumuksiin tai sisäisiin biologisiin eroihin.

Voisiko 12 tunnin rytmeillä olla vuorovesialkuperä?

Jotkut tutkijat uskovat, että 12 tunnin rytmit nisäkkäissä kehittyivät meren vuorokausikelloista. Tätä ajatusta tukevat päällekkäiset geenien ilmentymismallit nisäkkäiden ja meren eliöiden, mukaan lukien limpet ja limpets, välillä, ja limpet-tutkimus on erityisen merkittävä sen vuoroveden mukana kulkeutumisesta.

Tämä evoluutionaalinen yhteys on kuitenkin edelleen epävarma. Monet meritutkimukset on tehty valon ja pimeyden jaksoissa pikemminkin kuin vuorovesiolosuhteissa, mikä on tehnyt epäselväksi, ovatko havaitut 12 tunnin rytmit todella sopivia vai ovatko valon vaikutteita. Lisäksi keskeiset reitit, kuten laskostumaton proteiinivaste ja lipidiaineenvaihdunta, ovat olennaisia ​​solujen toiminnalle lajien välillä. Rytmisen ilmaisun samankaltaisuus voi johtua itsenäisestä evoluutiosta pikemminkin kuin yhteisestä syntyperästä. Vuorovesiolosuhteissa suoritettu tutkimus Limpet C. Rota tarjoaa vahvemman yhteyden. Kaiken kaikkiaan katsaus on varovainen suorien evoluutioyhteyksien luomisessa, koska konvergentti evoluutio voi selittää lajien väliset yhtäläisyydet.

Kuitenkin toistuva 12 tunnin rytmien havainnointi eri organismeissa tukee niiden toiminnallista merkitystä. Nämä rytmit voivat auttaa soluja valmistautumaan ennakoitaviin aineenvaihdunta- tai ympäristömuutoksiin, kuten: B. Ruokintaajat tai kehon lämpötilan muutokset, kuten aineenvaihdunnan valmiutta koskevassa ruuhka-ajan hypoteesissa ehdotetaan.

12 tunnin rytmien häiriintymisen kliiniset vaikutukset

Uudet todisteet viittaavat siihen, että muuttuneet 12 tunnin rytmit voivat edistää ihmisten sairauksia. Eräässä tutkimuksessa skitsofreniaa sairastavien ihmisten aivonäytteet osoittivat häiriintynyttä 12 tunnin geeniekspressiota, erityisesti hermosolujen ylläpitoon ja proteiinien laskostumiseen liittyvissä reiteissä (laskostumaton proteiinivaste). Vaikka on epäselvää, vaikuttaako tämä häiriö häiriöön tai tuloksiin, tulokset viittaavat suhteen tutkimiseen.

Hiirillä 12 tunnin rytmit ovat herkkiä metaboliselle tilalle. Liikalihavuus ja epäsäännölliset ruokintaajat vaimentavat näitä syklejä. Tämä lisää mahdollisuutta, että terveiden ultradiaan rytmien ylläpitäminen voi auttaa suojaamaan aineenvaihdunta- ja kognitiivisilta häiriöiltä. Aivan kuten vuorokausilääketiede on muuttanut lähestymistapoja uni- ja hormonaalisiin häiriöihin, ultradinen kronobiologia voi antaa tietoa tulevista psykiatristen ja aineenvaihduntasairauksien hoitostrategioista, vaikka lisätutkimusta tarvitaan.

Johtopäätökset

Kahdentoista tunnin rytmit tunnustetaan nykyään biologisen ajoituksen avainkerrokseksi, joka säätelee kriittisiä prosesseja, kuten aineenvaihduntaa, stressivastetta ja immuunitoimintaa. Vaikka jotkut 12 tunnin syklit näyttävät olevan peräisin vuorokausijärjestelmästä, toisia voivat ohjata erilaiset mekanismit, joihin liittyy transkriptiotekijöitä, kuten XBP1. Meren lajeista, hiiristä ja ihmisistä saadut todisteet korostavat näiden rytmien laajaa esiintymistä ja mahdollista merkitystä. Heidän häiriönsä on havaittu sellaisissa tiloissa kuin skitsofrenia ja liikalihavuus. Ymmärtäminen, kuinka nämä ultradiaan rytmit syntyvät ja ylläpidetään, voi johtaa innovatiivisiin strategioihin sairauksien ehkäisyyn ja henkilökohtaiseen sairaanhoitoon.

Lähteet: