Deskundigen beoordelen hoe biologische cycli van 12 uur bij muizen werken met aanwijzingen bij mensen

Deskundigen beoordelen hoe biologische cycli van 12 uur bij muizen werken met aanwijzingen bij mensen

Zou de verborgen 12-uursklok van uw lichaam het geheim kunnen bevatten van metabolische gezondheid en ziekte? Nieuw onderzoek koppelt onze interne ritmes aan oude oceaangetijden.

Gepubliceerd in een recente recensie in het JournalNPJ Biologische timing en slaapOnderzoekers Patrick Emery en Frédéric Gachon onderzochten de mechanismen, fysiologische betekenis en potentiële evolutionaire oorsprong van 12-uurs biologische ritmes bij zoogdieren, inclusief mensen, en bepaalden of deze ritmes een uniek timingsysteem vertegenwoordigen of zijn afgeleid van circadiane of circatide klokken.

achtergrond

Waarom worden veel menselijke genen twee keer per dag geactiveerd in plaats van één keer? Dit fascinerende patroon weerspiegelt biologische ritmes van twaalf uur, ook wel ultradische of circasemidische cycli genoemd. Deze ritmes zijn bekend bij zeedieren die reageren op getijdencycli. Soortgelijke 12-uurspatronen zijn echter waargenomen in recente onderzoeken bij landdieren zoals muizen en mensen. Sommige wetenschappers suggereren dat deze ritmes zijn voortgekomen uit oude getijdenklokken, terwijl anderen ze als verschillend en noodzakelijk beschouwen om voeding en stress te beheersen. Omdat ze belangrijke processen zoals de stofwisseling en immuunreacties reguleren, kunnen ze inzicht geven in aandoeningen zoals obesitas en psychische aandoeningen. Verder onderzoek is nodig om hun onderliggende mechanismen te identificeren.

Circadiaanse en circatidale ritmes: vergelijkbare klokken of afzonderlijke systemen?

Biologische klokken helpen organismen zich aan te passen aan terugkerende veranderingen in het milieu. Circadiaanse ritmes volgen een cyclus van 24 uur en regelen de slaap, de hormoonafgifte en ander dagelijks gedrag. Deze ritmes worden gereguleerd door eiwitten, waaronder circadiane motorische outputcycli kaput (klok), hersenen en spieren arnt-achtige 1 (BMAL1), periode (per), cryptochroom (huilen) en tijdloos (TIM).

Circatidale ritmes die bij zeedieren voorkomen, komen elke 12,4 uur voor. Deze ritmes komen overeen met de getijdenbewegingen en helpen soorten als krabben, wormen en schaaldieren te overleven in kusthabitats. De zeeschaaldier Eurydice Pulchra en de vlokreeftje Parhyale Hawaaiensis blijven bijvoorbeeld gedragspatronen van 12,4 uur vertonen, zelfs wanneer circadiaanse genen, zoals B. Per, verstoord zijn. Dit suggereert het bestaan ​​van een afzonderlijke 12,4-uurs oscillator, zij het met mechanistische overlap via BMAL1. Bij andere schaaldieren, zoals Eurydice Pulchra, tonen RNAi-studies echter aan dat circadiane ritmes onafhankelijk zijn van kerncircadiane genen zoals Per en Clock, wat duidt op een complexe relatie. Deze resultaten laten zien hoe circadiane en circatidale mechanismen elkaar kunnen overlappen of onafhankelijk kunnen werken, afhankelijk van het organisme en de context.

12-uurs genritmes bij muizen: voorbij de circadiane klok

De ontdekking van 12-uurs genexpressiepatronen in muizenlever bracht een duidelijke ritmische cyclus aan het licht, los van de 24-uurs circadiane klok. Deze ultradische ritmes blijven ook bestaan ​​in constante duisternis en geïsoleerde cellen, wat duidt op controle door grotendeels cel-autonome mechanismen in plaats van hersensignalen. Veel van de betrokken genen zijn geassocieerd met de stressreactie, mitochondriale activiteit en de ongevouwen eiwitrespons (UPR). X-box bindend eiwit 1 (XBP1), een transcriptiefactor die wordt geactiveerd tijdens endoplasmatisch reticulumstress, speelt een belangrijke maar niet exclusieve rol bij het reguleren van deze ritmes. Toen XBP1 echter uit de lever van muizen werd verwijderd, bleven de 12-uursritmes bestaan, wat aangeeft dat er andere regulerende elementen bij betrokken zijn. Dit heeft ertoe geleid dat onderzoekers zich afvragen of deze ritmes voortkomen uit een speciale 12-uurs oscillator of uit interacties tussen voedings-, spannings- en circadiane signalen en worden gemoduleerd door voedingsritmes en systemische signalen. Huidig ​​bewijs suggereert dat meerdere overlappende systemen kunnen samenwerken om 12-uurs genexpressiepatronen bij zoogdieren te genereren en te behouden.

Zijn er 12-uursritmes aanwezig bij mensen?

Studies bij mensen hebben genexpressiepatronen van 12 uur bevestigd. In een 48 uur durend onderzoek onder drie mensen volgden 653 genen een cyclus van 12 uur, anders dan de genen die een circadiane ritme van 24 uur vertoonden. Deze ultradiane genen waren betrokken bij stress, metabolisme en immuunfunctie en waren zeer vergelijkbaar bij muizen, vooral die gereguleerd door XBP1. Hoewel de deelnemers hun eigen verlichting en maaltijden controleerden, wat de resultaten zou kunnen beïnvloeden, benadrukt het oorspronkelijke onderzoek dat dit een aanzienlijke beperking is en dat omgevings- of gedragsfactoren mogelijk hebben bijgedragen aan de waargenomen patronen. De overlap met muisgegevens ondersteunt echter de biologische relevantie van deze ritmes. De timing van genpieken varieerde tussen individuen, waarschijnlijk beïnvloed door persoonlijke gewoonten of interne biologische verschillen.

Kunnen 12-uurs ritmes een getijdenoorsprong hebben?

Sommige wetenschappers geloven dat 12-uurs ritmes bij zoogdieren zijn voortgekomen uit mariene circadiaanse klokken. Dit idee wordt ondersteund door overlappende genexpressiepatronen tussen zoogdieren en mariene organismen, waaronder neteldieren en zeeslakken, waarbij het onderzoek naar de zeeslak vooral opvalt vanwege de getijdenmeevoering.

Dit evolutionaire verband blijft echter onzeker. Veel mariene onderzoeken zijn uitgevoerd onder licht-donkercycli in plaats van onder getijdenomstandigheden, waardoor het onduidelijk is of de waargenomen 12-uursritmes werkelijk geschikt zijn of worden beïnvloed door licht. Bovendien zijn belangrijke routes zoals de ontvouwde eiwitrespons en het lipidenmetabolisme van fundamenteel belang voor de cellulaire functie van soorten. De gelijkenis in ritmische expressie kan het resultaat zijn van onafhankelijke evolutie in plaats van van gemeenschappelijke afkomst. Het onderzoek in de Limpet C. Rota, uitgevoerd onder getijdenomstandigheden, levert een sterkere verbinding op. Over het geheel genomen is de review voorzichtig met het leggen van directe evolutionaire verbanden, omdat convergente evolutie de waargenomen overeenkomsten tussen soorten kan verklaren.

Herhaalde observatie van 12-uursritmes in verschillende organismen ondersteunt echter hun functionele betekenis. Deze ritmes kunnen cellen helpen zich voor te bereiden op voorspelbare metabolische of omgevingsveranderingen, zoals: B. Voedingstijden of verschuivingen in lichaamstemperatuur, zoals voorgesteld in de ‘spitsuur’-hypothese voor metabolische gereedheid.

Klinische implicaties van verstoorde 12-uursritmes

Opkomend bewijs suggereert dat veranderde 12-uursritmes kunnen bijdragen aan ziekten bij de mens. In één onderzoek vertoonden hersenmonsters van mensen met schizofrenie een verstoorde 12-uurs genexpressie, vooral in routes die verband houden met neuronaal onderhoud en eiwitvouwing (ongevouwen eiwitrespons). Hoewel het onduidelijk is of deze interferentie bijdraagt ​​aan de stoornis of de uitkomsten, suggereren de resultaten een verkenning van een relatie.

Bij muizen zijn 12-uursritmes gevoelig voor de metabolische status. Obesitas en onregelmatige voedingsschema’s temperen deze cycli. Dit vergroot de mogelijkheid dat het handhaven van gezonde ultradiaanse ritmes kan helpen beschermen tegen metabolische en cognitieve stoornissen. Net zoals de circadiane geneeskunde de aanpak van slaap- en hormonale stoornissen heeft getransformeerd, heeft ultradische chronobiologie het potentieel om toekomstige behandelingsstrategieën voor psychiatrische en metabolische ziekten te informeren, hoewel verder onderzoek nodig is.

Conclusies

Ritmes van twaalf uur worden nu erkend als een belangrijke laag van biologische timing, die kritische processen zoals metabolisme, stressreactie en immuunfunctie reguleren. Hoewel sommige 12-uurscycli afkomstig lijken te zijn van het circadiane systeem, kunnen andere worden aangestuurd door verschillende mechanismen waarbij transcriptiefactoren betrokken zijn, zoals XBP1. Bewijsmateriaal van mariene soorten, muizen en mensen benadrukt de wijdverbreide aanwezigheid en het potentiële belang van deze ritmes. Hun stoornis is waargenomen bij aandoeningen zoals schizofrenie en obesitas. Inzicht in hoe deze ultradische ritmes worden gegenereerd en onderhouden, kan leiden tot innovatieve strategieën voor ziektepreventie en gepersonaliseerde medische zorg.

Bronnen: