Eksperti pārskata, kā 12 stundu bioloģiskie cikli pelēm darbojas ar norādēm cilvēkiem

Eksperti pārskata, kā 12 stundu bioloģiskie cikli pelēm darbojas ar norādēm cilvēkiem

Vai jūsu ķermeņa slēptais 12 stundu pulkstenis varētu glabāt vielmaiņas veselības un slimību noslēpumu? Jauni pētījumi saista mūsu iekšējos ritmus ar seno okeāna plūdmaiņu.

Publicēts nesenā pārskatā žurnālāNPJ Bioloģiskais laiks un miegsPētnieki Patriks Emerijs un Frederiks Gašons pētīja 12 stundu bioloģisko ritmu mehānismus, fizioloģisko nozīmi un iespējamo evolūcijas izcelsmi zīdītājiem, tostarp cilvēkiem, un noteica, vai šie ritmi ir unikāla laika noteikšanas sistēma vai arī tie ir iegūti no diennakts vai diennakts pulksteņiem.

fons

Kāpēc daudzi cilvēka gēni aktivizējas divas reizes dienā, nevis vienu reizi? Šis aizraujošais modelis atspoguļo 12 stundu bioloģiskos ritmus, ko sauc arī par ultradijas vai cirkazemīdu cikliem. Šie ritmi ir labi zināmi jūras dzīvniekiem, kuri reaģē uz plūdmaiņu cikliem. Tomēr līdzīgi 12 stundu modeļi ir novēroti nesenajos pētījumos ar sauszemes dzīvniekiem, piemēram, pelēm un cilvēkiem. Daži zinātnieki norāda, ka šie ritmi attīstījušies no seniem plūdmaiņu pulksteņiem, savukārt citi uzskata, ka tie ir atšķirīgi un nepieciešami, lai pārvaldītu barošanu un stresu. Tā kā tie regulē svarīgus procesus, piemēram, vielmaiņu un imūnās atbildes, tie var sniegt ieskatu tādos traucējumos kā aptaukošanās un garīgās slimības. Ir nepieciešami turpmāki pētījumi, lai noteiktu to pamatā esošos mehānismus.

Diennakts un diennakts ritmi: līdzīgi pulksteņi vai atsevišķas sistēmas?

Bioloģiskie pulksteņi palīdz organismiem pielāgoties atkārtotām vides izmaiņām. Diennakts ritmi seko 24 stundu ciklam un kontrolē miegu, hormonu izdalīšanos un citu ikdienas uzvedību. Šos ritmus regulē olbaltumvielas, tostarp diennakts lokomotorās izejas cikli kaput (pulkstenis), smadzeņu un muskuļu arnt līdzīgais 1 (BMAL1), periods (per), kriptohroms (raudāt) un mūžīgs (TIM).

Jūras dzīvniekiem novērotie cirkatidaliskie ritmi notiek ik pēc 12,4 stundām. Šie ritmi atbilst plūdmaiņu kustībām un palīdz tādām sugām kā krabji, tārpi un vēžveidīgie izdzīvot piekrastes biotopos. Piemēram, jūras vēžveidīgais Eurydice Pulchra un amfipods Parhyale Hawaaiensis turpina uzvesties 12,4 stundu garumā pat tad, ja tiek traucēti diennakts gēni, piemēram, B. Per. Tas liecina par atsevišķa 12,4 stundu oscilatora esamību, lai gan ar BMAL1 mehānisko pārklāšanos. Tomēr citos vēžveidīgajos, piemēram, Eurydice Pulchra, RNAi pētījumi liecina, ka diennakts ritmi ir neatkarīgi no galvenajiem diennakts gēniem, piemēram, Per un Clock, kas liecina par sarežģītām attiecībām. Šie rezultāti parāda, kā diennakts un diennakts mehānismi var pārklāties vai darboties neatkarīgi atkarībā no organisma un konteksta.

12 stundu gēnu ritmi pelēm: ārpus diennakts pulksteņa

12 stundu gēnu ekspresijas modeļu atklāšana peles aknās atklāja atšķirīgu ritmisko ciklu, kas ir nošķirts no 24 stundu diennakts pulksteņa. Šie ultradiskie ritmi saglabājas arī pastāvīgā tumsā un izolētās šūnās, kas liecina par kontroli, izmantojot galvenokārt šūnu autonomus mehānismus, nevis smadzeņu signālus. Daudzi iesaistītie gēni ir saistīti ar stresa reakciju, mitohondriju aktivitāti un nesalocītu proteīna reakciju (UPR). X-box saistošajam proteīnam 1 (XBP1), transkripcijas faktoram, kas aktivizēts endoplazmatiskā tīkla stresa laikā, ir svarīga, bet ne ekskluzīva loma šo ritmu regulēšanā. Tomēr, kad XBP1 tika izdzēsts peles aknās, 12 stundu ritmi saglabājās, norādot, ka ir iesaistīti citi regulējošie elementi. Tas lika pētniekiem apšaubīt, vai šie ritmi rodas no īpaša 12 stundu oscilatora vai mijiedarbības starp barošanas, sprieguma un diennakts signāliem, un tos modulē barošanas ritmi un sistēmiski norādījumi. Pašreizējie pierādījumi liecina, ka vairākas sistēmas, kas pārklājas, var strādāt kopā, lai radītu un uzturētu 12 stundu gēnu ekspresijas modeļus zīdītājiem.

Vai cilvēkiem ir 12 stundu ritmi?

Pētījumi ar cilvēkiem ir apstiprinājuši 12 stundu gēnu ekspresijas modeļus. 48 stundu pētījumā, kurā piedalījās trīs cilvēki, 653 gēni sekoja 12 stundu ciklam, kas atšķiras no tiem, kas uzrādīja 24 stundu diennakts ritmus. Šie ultradijas gēni bija saistīti ar stresu, vielmaiņu un imūnsistēmu un bija ļoti līdzīgi pelēm, īpaši tām, kuras regulē XBP1. Lai gan dalībnieki kontrolēja savu apgaismojumu un maltītes, kas varētu ietekmēt rezultātus, sākotnējais pētījums uzsver, ka tas ir nozīmīgs ierobežojums un ka vides vai uzvedības faktori var būt veicinājuši novērotos modeļus. Tomēr pārklāšanās ar peles datiem apstiprina šo ritmu bioloģisko nozīmi. Gēnu maksimumu laiks cilvēkiem bija atšķirīgs, iespējams, to ietekmēja personīgie ieradumi vai iekšējās bioloģiskās atšķirības.

Vai 12 stundu ritmiem varētu būt plūdmaiņu izcelsme?

Daži zinātnieki uzskata, ka 12 stundu ritmi zīdītājiem attīstījušies no jūras diennakts pulksteņiem. Šo ideju atbalsta gēnu ekspresijas modeļu pārklāšanās starp zīdītājiem un jūras organismiem, tostarp cnidarians un limpets, un klinšu pētījums ir īpaši ievērojams ar tā plūdmaiņu iekļūšanu.

Tomēr šī evolucionārā saikne joprojām ir neskaidra. Daudzi jūras apsekojumi ir veikti gaismas un tumsas ciklos, nevis plūdmaiņu apstākļos, un tāpēc nav skaidrs, vai novērotie 12 stundu ritmi ir patiešām piemēroti vai tos ietekmē gaisma. Turklāt galvenie ceļi, piemēram, nesalocītā proteīna reakcija un lipīdu metabolisms, ir būtiski šūnu funkcijai dažādās sugās. Ritmiskās izteiksmes līdzību var izraisīt neatkarīga evolūcija, nevis kopējie senči. Pētījums Limpet C. Rota, kas veikts plūdmaiņu apstākļos, nodrošina spēcīgāku savienojumu. Kopumā pārskats ir piesardzīgs attiecībā uz tiešu evolūcijas savienojumu veidošanu, jo konverģenta evolūcija var izskaidrot līdzības, kas novērotas starp sugām.

Tomēr atkārtota 12 stundu ritmu novērošana dažādos organismos apstiprina to funkcionālo nozīmi. Šie ritmi var palīdzēt šūnām sagatavoties paredzamām vielmaiņas vai vides izmaiņām, piemēram: B. Barošanas laiki vai ķermeņa temperatūras izmaiņas, kā ierosināts “sastrēgumstundas” hipotēzē par vielmaiņas gatavību.

Izjauktu 12 stundu ritmu klīniskās sekas

Jaunie pierādījumi liecina, ka mainīti 12 stundu ritmi var veicināt cilvēku slimības. Vienā pētījumā smadzeņu paraugi no cilvēkiem ar šizofrēniju uzrādīja traucētu 12 stundu gēnu ekspresiju, īpaši ceļos, kas saistīti ar neironu uzturēšanu un proteīnu locīšanu (nelocīta proteīna reakcija). Lai gan nav skaidrs, vai šī iejaukšanās veicina traucējumus vai rezultātus, rezultāti liecina par attiecību izpēti.

Pelēm 12 stundu ritmi ir jutīgi pret vielmaiņas stāvokli. Aptaukošanās un neregulāri barošanas grafiki mazina šos ciklus. Tas palielina iespēju, ka veselīgu ultradiana ritmu saglabāšana varētu palīdzēt aizsargāt pret vielmaiņas un kognitīviem traucējumiem. Tāpat kā diennakts medicīna ir pārveidojusi miega un hormonālo traucējumu pieejas, ultradiskā hronobioloģija var sniegt informāciju par turpmākajām psihisko un vielmaiņas slimību ārstēšanas stratēģijām, lai gan ir nepieciešami turpmāki pētījumi.

Secinājumi

Divpadsmit stundu ritmi tagad ir atzīti par galveno bioloģiskā laika noteikšanas slāni, kas regulē tādus kritiskos procesus kā vielmaiņa, stresa reakcija un imūnsistēmas darbība. Lai gan šķiet, ka daži 12 stundu cikli rodas no diennakts sistēmas, citus var vadīt dažādi mehānismi, kas ietver transkripcijas faktorus, piemēram, XBP1. Pierādījumi no jūras sugām, pelēm un cilvēkiem liecina par šo ritmu plašo klātbūtni un iespējamo nozīmi. Viņu traucējumi ir novēroti tādos apstākļos kā šizofrēnija un aptaukošanās. Izpratne par to, kā šie ultradiana ritmi tiek ģenerēti un uzturēti, var radīt novatoriskas stratēģijas slimību profilaksei un personalizētai medicīniskajai aprūpei.

Avoti: