Stručnjaci preispituju kako funkcioniraju 12-satni biološki ciklusi kod miševa s tragovima kod ljudi

Stručnjaci preispituju kako funkcioniraju 12-satni biološki ciklusi kod miševa s tragovima kod ljudi

Može li skriveni 12-satni sat vašeg tijela kriti tajnu metaboličkog zdravlja i bolesti? Nova istraživanja povezuju naše unutarnje ritmove s drevnim oceanskim plimama i osekama.

Objavljeno u nedavnoj recenziji u JournaluNPJ Biološko vrijeme i spavanjeIstraživači Patrick Emery i Frédéric Gachon ispitali su mehanizme, fiziološki značaj i potencijalno evolucijsko podrijetlo 12-satnih bioloških ritmova kod sisavaca, uključujući ljude, i utvrdili predstavljaju li ti ritmovi jedinstveni sustav mjerenja vremena ili su izvedeni iz cirkadijalnog ili cirkatidnog sata.

pozadina

Zašto se mnogi ljudski geni aktiviraju dva puta dnevno umjesto jednom? Ovaj fascinantni uzorak odražava 12-satne biološke ritmove koji se nazivaju i ultradijanski ili cirkasemidni ciklusi. Ti su ritmovi dobro poznati kod morskih životinja koje reagiraju na cikluse plime i oseke. Međutim, slični 12-satni obrasci primijećeni su u nedavnim studijama kopnenih životinja poput miševa i ljudi. Neki znanstvenici sugeriraju da su se ti ritmovi razvili iz drevnih satova za plimu i oseku, dok ih drugi vide kao različite i neophodne za upravljanje hranjenjem i stresom. Budući da reguliraju važne procese poput metabolizma i imunoloških odgovora, mogu pružiti uvid u poremećaje poput pretilosti i mentalnih bolesti. Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se identificirali njihovi temeljni mehanizmi.

Cirkadijalni i cirkadijalni ritmovi: slični satovi ili odvojeni sustavi?

Biološki satovi pomažu organizmima da se prilagode na ponavljajuće promjene okoliša. Cirkadijalni ritmovi slijede 24-satni ciklus i kontroliraju spavanje, oslobađanje hormona i druga dnevna ponašanja. Ove ritmove reguliraju proteini uključujući cirkadijalne lokomotorne izlazne cikluse kaput (sat), moždani i mišićni arnt-like 1 (BMAL1), razdoblje (per), kriptokrom (plač) i bezvremenski (TIM).

Cirkatidni ritmovi vidljivi kod morskih životinja javljaju se svakih 12,4 sata. Ti ritmovi odgovaraju kretanjima plime i oseke i pomažu vrstama poput rakova, crva i rakova da prežive u obalnim staništima. Na primjer, morski rak Eurydice Pulchra i amfipod Parhyale Hawaaiensis nastavljaju pokazivati ​​12,4-satne obrasce ponašanja čak i kada su cirkadijalni geni, kao što je B. Per, poremećeni. Ovo sugerira postojanje zasebnog oscilatora od 12,4 sata, iako s mehaničkim preklapanjem kroz BMAL1. Međutim, kod drugih rakova kao što je Eurydice Pulchra, RNAi studije pokazuju da su cirkadijalni ritmovi neovisni o osnovnim cirkadijalnim genima kao što su Per i Clock, što ukazuje na složen odnos. Ovi rezultati pokazuju kako se cirkadijalni i cirkadijalni mehanizmi mogu preklapati ili djelovati neovisno ovisno o organizmu i kontekstu.

12-satni genski ritmovi kod miševa: izvan cirkadijalnog sata

Otkriće 12-satnih obrazaca ekspresije gena u mišjoj jetri otkrilo je poseban ritmički ciklus odvojen od 24-satnog cirkadijalnog sata. Ovi ultradični ritmovi također opstaju u stalnoj tami i izoliranim stanicama, što ukazuje na kontrolu putem mehanizama koji su uglavnom autonomni od stanica, a ne moždanih signala. Mnogi od uključenih gena povezani su s odgovorom na stres, mitohondrijskom aktivnošću i odgovorom razmotanih proteina (UPR). X-box binding protein 1 (XBP1), faktor transkripcije aktiviran tijekom stresa endoplazmatskog retikuluma, igra važnu, ali ne i isključivu ulogu u regulaciji ovih ritmova. Međutim, kada je XBP1 izbrisan iz jetre miša, 12-satni ritmovi su se zadržali, što ukazuje da su uključeni i drugi regulatorni elementi. To je navelo istraživače na pitanje proizlaze li ti ritmovi iz namjenskog 12-satnog oscilatora ili kroz interakcije između signala hranjenja, napona i cirkadijalnih signala i modulirani su ritmovima hranjenja i sustavnim znakovima. Trenutačni dokazi sugeriraju da višestruki sustavi koji se preklapaju mogu raditi zajedno kako bi stvorili i održavali 12-satne obrasce ekspresije gena kod sisavaca.

Jesu li 12-satni ritmovi prisutni kod ljudi?

Studije na ljudima potvrdile su 12-satne obrasce ekspresije gena. U 48-satnom istraživanju troje ljudi, 653 gena pratilo je ciklus od 12 sati, različit od onih koji su pokazivali 24-satni cirkadijalni ritam. Ovi ultradian geni bili su uključeni u stres, metabolizam i imunološku funkciju i bili su vrlo slični kod miševa, posebno onih koje regulira XBP1. Iako su sudionici kontrolirali vlastitu rasvjetu i obroke, što je moglo utjecati na rezultate, izvorno istraživanje naglašava da je to značajno ograničenje te da su okolišni čimbenici ili čimbenici ponašanja mogli pridonijeti promatranim obrascima. Međutim, preklapanje s mišjim podacima podržava biološku važnost ovih ritmova. Vrijeme vrhunca gena variralo je među pojedincima, vjerojatno pod utjecajem osobnih navika ili unutarnjih bioloških razlika.

Mogu li 12-satni ritmovi imati plimno podrijetlo?

Neki znanstvenici vjeruju da su 12-satni ritmovi kod sisavaca evoluirali iz morskih cirkadijskih satova. Ovu ideju podupiru preklapajući obrasci ekspresije gena između sisavaca i morskih organizama, uključujući žarnjake i pljeskavice, pri čemu je studija o pljeskavicama posebno poznata po svom uvlačenju plimom i osekom.

Međutim, ova evolucijska veza ostaje neizvjesna. Mnoga morska istraživanja provedena su pod ciklusima svjetlo-tama, a ne međuplimnim uvjetima, zbog čega nije jasno jesu li promatrani 12-satni ritmovi doista prikladni ili su pod utjecajem svjetla. Nadalje, ključni putovi kao što su nezamotani proteinski odgovor i metabolizam lipida temeljni su za staničnu funkciju svih vrsta. Sličnost u ritmičkom izražavanju može biti rezultat neovisne evolucije, a ne zajedničkog podrijetla. Studija u Limpet C. Rota, provedena u uvjetima plime i oseke, pruža jaču vezu. Općenito, pregled je oprezan u pogledu izravnih evolucijskih veza jer konvergentna evolucija može objasniti sličnosti uočene među vrstama.

Međutim, opetovano promatranje 12-satnih ritmova u različitim organizmima podupire njihovu funkcionalnu važnost. Ovi ritmovi mogu pomoći stanicama da se pripreme za predvidljive metaboličke ili promjene okoliša, kao što su: B. Vremena hranjenja ili promjene u tjelesnoj temperaturi, kao što je predloženo u hipotezi o "špici" za metaboličku spremnost.

Kliničke implikacije poremećenog 12-satnog ritma

Sve noviji dokazi upućuju na to da izmijenjeni 12-satni ritmovi mogu pridonijeti ljudskoj bolesti. U jednoj studiji, uzorci mozga ljudi sa shizofrenijom pokazali su poremećenu 12-satnu ekspresiju gena, osobito u putevima povezanim s održavanjem neurona i savijanjem proteina (odmotani proteinski odgovor). Iako je nejasno pridonosi li ova smetnja poremećaju ili ishodima, rezultati sugeriraju istraživanje odnosa.

Kod miševa, 12-satni ritmovi su osjetljivi na metabolički status. Pretilost i nepravilan raspored hranjenja prigušuju te cikluse. To povećava mogućnost da bi održavanje zdravih ultradijanskih ritmova moglo pomoći u zaštiti od metaboličkih i kognitivnih poremećaja. Baš kao što je cirkadijalna medicina promijenila pristupe spavanju i hormonskim poremećajima, ultradična kronobiologija ima potencijal informirati o budućim strategijama liječenja psihijatrijskih i metaboličkih bolesti, iako su potrebna daljnja istraživanja.

Zaključci

Dvanaestosatni ritmovi sada su prepoznati kao ključni sloj biološkog vremena, koji regulira kritične procese poput metabolizma, odgovora na stres i imunološke funkcije. Dok se čini da neki 12-satni ciklusi potječu iz cirkadijalnog sustava, drugi mogu biti vođeni različitim mehanizmima koji uključuju faktore transkripcije kao što je XBP1. Dokazi morskih vrsta, miševa i ljudi naglašavaju široku prisutnost i potencijalnu važnost ovih ritmova. Njihov poremećaj uočen je kod stanja kao što su shizofrenija i pretilost. Razumijevanje načina na koji se ti ultradijanski ritmovi stvaraju i održavaju može dovesti do inovativnih strategija za prevenciju bolesti i personaliziranu medicinsku skrb.

Izvori: