Eksperter gjennomgår hvordan 12-timers biologiske sykluser hos mus fungerer med ledetråder hos mennesker

Eksperter gjennomgår hvordan 12-timers biologiske sykluser hos mus fungerer med ledetråder hos mennesker

Kan kroppens skjulte 12-timers klokke inneholde hemmeligheten bak metabolsk helse og sykdom? Ny forskning knytter våre interne rytmer til eldgamle havvann.

Publisert i en nylig anmeldelse i tidsskriftetNPJ Biologisk timing og søvnForskerne Patrick Emery og Frédéric Gachon undersøkte mekanismene, den fysiologiske betydningen og den potensielle evolusjonære opprinnelsen til 12-timers biologiske rytmer hos pattedyr, inkludert mennesker, og bestemte om disse rytmene representerer et unikt timingsystem eller er avledet fra døgn- eller circatid-klokker.

bakgrunn

Hvorfor aktiveres mange menneskelige gener to ganger om dagen i stedet for én gang? Dette fascinerende mønsteret gjenspeiler 12-timers biologiske rytmer også kalt ultradian eller circasemidic sykluser. Disse rytmene er velkjente hos marine dyr som reagerer på tidevannssykluser. Imidlertid har lignende 12-timers mønstre blitt observert i nyere studier av landdyr som mus og mennesker. Noen forskere antyder at disse rytmene utviklet seg fra eldgamle tidevannsklokker, mens andre ser dem som distinkte og nødvendige for å håndtere fôring og stress. Fordi de regulerer viktige prosesser som metabolisme og immunresponser, kan de gi innsikt i lidelser som fedme og psykiske lidelser. Ytterligere forskning er nødvendig for å identifisere deres underliggende mekanismer.

Døgnrytme og sirkadiske rytmer: Lignende klokker eller separate systemer?

Biologiske klokker hjelper organismer med å tilpasse seg tilbakevendende miljøendringer. Døgnrytmer følger en 24-timers syklus og kontrollerer søvn, hormonfrigjøring og annen daglig atferd. Disse rytmene reguleres av proteiner, inkludert circadian lokomotoriske utgangssykluser kaput (klokke), hjerne og muskel arnt-lignende 1 (BMAL1), periode (per), kryptokrom (gråt) og tidløs (TIM).

Cirkatidale rytmer sett hos marine dyr forekommer hver 12.4 time. Disse rytmene tilsvarer tidevannsbevegelser og hjelper arter som krabber, ormer og krepsdyr til å overleve i kysthabitater. For eksempel fortsetter det marine krepsdyret Eurydice Pulchra og amfipoden Parhyale Hawaaiensis å vise 12,4-timers atferdsmønstre selv når døgngener, som B. Per, blir forstyrret. Dette antyder eksistensen av en separat 12,4 timers oscillator, om enn med mekanistisk overlapping gjennom BMAL1. Hos andre krepsdyr som Eurydice Pulchra viser imidlertid RNAi-studier at døgnrytmer er uavhengige av kjernedøgngener som Per og Clock, noe som tyder på et komplekst forhold. Disse resultatene viser hvordan døgn- og sirkadiske mekanismer kan overlappe eller fungere uavhengig avhengig av organismen og konteksten.

12-timers genrytmer hos mus: Beyond the circadian clock

Oppdagelsen av 12-timers genuttrykksmønstre i muselever avslørte en distinkt rytmisk syklus atskilt fra den 24-timers døgnklokken. Disse ultradiske rytmene vedvarer også i konstant mørke og isolerte celler, noe som tyder på kontroll ved stort sett celleautonome mekanismer i stedet for hjernesignaler. Mange av genene som er involvert er assosiert med stressresponsen, mitokondriell aktivitet og den utfoldede proteinresponsen (UPR). X-box-bindende protein 1 (XBP1), en transkripsjonsfaktor aktivert under endoplasmatisk retikulumstress, spiller en viktig, men ikke eksklusiv rolle i å regulere disse rytmene. Men når XBP1 ble slettet i muselever, vedvarte 12-timers rytmer, noe som indikerer at andre regulatoriske elementer er involvert. Dette har fått forskere til å stille spørsmål ved om disse rytmene oppstår fra en dedikert 12-timers oscillator eller gjennom interaksjoner mellom fôring, spenning og døgnsignaler og moduleres av fôringsrytmer og systemiske signaler. Nåværende bevis tyder på at flere overlappende systemer kan fungere sammen for å generere og opprettholde 12-timers genuttrykksmønstre hos pattedyr.

Er 12-timers rytmer til stede hos mennesker?

Menneskelige studier har bekreftet 12-timers genuttrykksmønstre. I en 48-timers studie av tre personer fulgte 653 gener en 12-timers syklus, forskjellig fra de som viste 24-timers døgnrytmer. Disse ultradian-genene var involvert i stress, metabolisme og immunfunksjon og var veldig like i mus, spesielt de som er regulert av XBP1. Selv om deltakerne kontrollerte sin egen belysning og måltider, noe som kunne påvirke resultatene, fremhever den opprinnelige forskningen at dette er en betydelig begrensning og at miljø- eller atferdsfaktorer kan ha bidratt til de observerte mønstrene. Imidlertid støtter overlappingen med musedata den biologiske relevansen til disse rytmene. Tidspunktet for gentopper varierte mellom individer, sannsynligvis påvirket av personlige vaner eller indre biologiske forskjeller.

Kan 12-timers rytmer ha tidevannsopprinnelse?

Noen forskere tror at 12-timers rytmer hos pattedyr utviklet seg fra marine døgnklokker. Denne ideen støttes av overlappende genuttrykksmønstre mellom pattedyr og marine organismer, inkludert cnidarians og limpets, med limpet-studien som er spesielt bemerkelsesverdig for sin tidevannsmedføring.

Denne evolusjonære sammenhengen er imidlertid fortsatt usikker. Mange marine undersøkelser har blitt utført under lys-mørke sykluser i stedet for tidevannsforhold, noe som har gjort det uklart om de observerte 12-timersrytmene virkelig er passende eller påvirket av lys. Videre er nøkkelveier som den utfoldede proteinresponsen og lipidmetabolismen grunnleggende for cellulær funksjon på tvers av arter. Likheten i rytmisk uttrykk kan skyldes uavhengig evolusjon snarere enn felles aner. Studien i Limpet C. Rota, utført under tidevannsforhold, gir en sterkere sammenheng. Totalt sett er gjennomgangen forsiktig med å lage direkte evolusjonære forbindelser fordi konvergent evolusjon kan forklare likhetene observert på tvers av arter.

Gjentatt observasjon av 12-timers rytmer i forskjellige organismer støtter imidlertid deres funksjonelle betydning. Disse rytmene kan hjelpe cellene med å forberede seg på forutsigbare metabolske eller miljømessige endringer, slik som: B. Matetider eller endringer i kroppstemperatur, som foreslått i "rushtime"-hypotesen for metabolsk beredskap.

Kliniske implikasjoner av forstyrrede 12-timers rytmer

Nye bevis tyder på at endrede 12-timers rytmer kan bidra til sykdom hos mennesker. I en studie viste hjerneprøver fra personer med schizofreni forstyrret 12-timers genuttrykk, spesielt i veier assosiert med nevronal vedlikehold og proteinfolding (utfoldet proteinrespons). Selv om det er uklart om denne forstyrrelsen bidrar til lidelsen eller utfall, tyder resultatene på en utforskning av et forhold.

Hos mus er 12-timers rytmer følsomme for metabolsk status. Overvekt og uregelmessige fôringsplaner demper disse syklusene. Dette øker muligheten for at å opprettholde sunne ultradiske rytmer kan bidra til å beskytte mot metabolske og kognitive forstyrrelser. Akkurat som døgnmedisin har forvandlet tilnærminger til søvn og hormonelle lidelser, har ultradisk kronobiologi potensiale til å informere fremtidige behandlingsstrategier for psykiatriske og metabolske sykdommer, selv om ytterligere forskning er nødvendig.

Konklusjoner

Tolv-timers rytmer er nå anerkjent som et nøkkellag av biologisk timing, som regulerer kritiske prosesser som metabolisme, stressrespons og immunfunksjon. Mens noen 12-timers sykluser ser ut til å stamme fra døgnsystemet, kan andre være drevet av forskjellige mekanismer som involverer transkripsjonsfaktorer som XBP1. Bevis fra marine arter, mus og mennesker fremhever den utbredte tilstedeværelsen og potensielle betydningen av disse rytmene. Deres lidelse har blitt observert ved tilstander som schizofreni og fedme. Å forstå hvordan disse ultradiske rytmene genereres og opprettholdes kan føre til innovative strategier for sykdomsforebygging og personlig medisinsk behandling.

Kilder: