Eksperci sprawdzają, jak 12-godzinne cykle biologiczne u myszy współdziałają ze wskazówkami u ludzi

Eksperci sprawdzają, jak 12-godzinne cykle biologiczne u myszy współdziałają ze wskazówkami u ludzi

Czy ukryty 12-godzinny zegar Twojego organizmu może kryć sekret zdrowia i chorób metabolicznych? Nowe badania łączą nasze wewnętrzne rytmy ze starożytnymi przypływami oceanicznymi.

Opublikowano w niedawnej recenzji w czasopiśmieNPJ Biologiczny czas i senNaukowcy Patrick Emery i Frédéric Gachon zbadali mechanizmy, znaczenie fizjologiczne i potencjalne pochodzenie ewolucyjne 12-godzinnych rytmów biologicznych u ssaków, w tym ludzi, i ustalili, czy rytmy te reprezentują unikalny system pomiaru czasu, czy też wywodzą się z zegarów dobowych lub okołodobowych.

tło

Dlaczego wiele ludzkich genów aktywuje się dwa razy dziennie, a nie raz? Ten fascynujący wzór odzwierciedla 12-godzinne rytmy biologiczne, zwane także cyklami ultradobowymi lub okołodobowymi. Rytmy te są dobrze znane u zwierząt morskich, które reagują na cykle pływowe. Jednakże podobne 12-godzinne wzorce zaobserwowano w ostatnich badaniach zwierząt lądowych, takich jak myszy i ludzie. Niektórzy naukowcy sugerują, że rytmy te wyewoluowały ze starożytnych zegarów pływowych, podczas gdy inni postrzegają je jako odrębne i niezbędne do radzenia sobie z karmieniem i stresem. Ponieważ regulują ważne procesy, takie jak metabolizm i reakcje immunologiczne, mogą zapewnić wgląd w zaburzenia, takie jak otyłość i choroby psychiczne. Konieczne są dalsze badania, aby zidentyfikować leżące u ich podstaw mechanizmy.

Rytmy dobowe i okołodobowe: podobne zegary czy osobne systemy?

Zegary biologiczne pomagają organizmom przystosować się do powtarzających się zmian środowiskowych. Rytmy dobowe podążają za cyklem 24-godzinnym i kontrolują sen, uwalnianie hormonów i inne codzienne zachowania. Rytmy te są regulowane przez białka, w tym dobowe cykle wyjściowe lokomotoryczne kaput (zegar), mózg i mięśnie podobne do 1 (BMAL1), okres (per), kryptochrom (płacz) i ponadczasowość (TIM).

Rytmy dokołowe obserwowane u zwierząt morskich występują co 12,4 godziny. Rytmy te odpowiadają ruchom pływowym i pomagają gatunkom takim jak kraby, robaki i skorupiaki przetrwać w siedliskach przybrzeżnych. Na przykład skorupiak morski Eurydice Pulchra i obunóg Parhyale Hawaaiensis w dalszym ciągu wykazują 12,4-godzinne wzorce zachowania, nawet jeśli geny dobowe, takie jak B. Per, są zaburzone. Sugeruje to istnienie oddzielnego oscylatora 12,4-godzinnego, aczkolwiek z mechanistycznym nakładaniem się na BMAL1. Jednakże w przypadku innych skorupiaków, takich jak Eurydice Pulchra, badania RNAi pokazują, że rytmy dobowe są niezależne od podstawowych genów okołodobowych, takich jak Per i Clock, co sugeruje złożoną zależność. Wyniki te pokazują, jak mechanizmy okołodobowe i okołodobowe mogą się nakładać lub działać niezależnie, w zależności od organizmu i kontekstu.

12-godzinne rytmy genów u myszy: poza zegarem dobowym

Odkrycie 12-godzinnych wzorców ekspresji genów w wątrobie myszy ujawniło odrębny cykl rytmiczny niezależny od 24-godzinnego zegara dobowego. Te ultradyczne rytmy utrzymują się również w ciągłej ciemności i w izolowanych komórkach, co sugeruje kontrolę w dużej mierze przez mechanizmy autonomiczne komórkowe, a nie sygnały mózgowe. Wiele zaangażowanych genów jest powiązanych z reakcją na stres, aktywnością mitochondriów i odpowiedzią na rozwinięte białka (UPR). Białko wiążące X-box 1 (XBP1), czynnik transkrypcyjny aktywowany podczas stresu siateczki śródplazmatycznej, odgrywa ważną, ale nie wyłączną rolę w regulacji tych rytmów. Jednakże, gdy w wątrobie myszy usunięto XBP1, rytmy 12-godzinne utrzymywały się, co wskazuje, że w grę wchodzą inne elementy regulacyjne. To skłoniło badaczy do zastanowienia się, czy rytmy te wynikają z dedykowanego 12-godzinnego oscylatora, czy też z interakcji między karmieniem, napięciem i sygnałami dobowymi i są modulowane przez rytmy karmienia i sygnały systemowe. Aktualne dowody sugerują, że wiele nakładających się systemów może współpracować, aby wygenerować i utrzymać 12-godzinne wzorce ekspresji genów u ssaków.

Czy rytmy 12-godzinne występują u ludzi?

Badania na ludziach potwierdziły 12-godzinne wzorce ekspresji genów. W 48-godzinnym badaniu trzech osób 653 geny podlegały 12-godzinnemu cyklowi, różniącemu się od tych, które wykazywały 24-godzinny rytm dobowy. Te ultradobowe geny były zaangażowane w stres, metabolizm i funkcje odpornościowe i były bardzo podobne u myszy, szczególnie te regulowane przez XBP1. Chociaż uczestnicy kontrolowali własne oświetlenie i posiłki, co mogło mieć wpływ na wyniki, w oryginalnym badaniu podkreślono, że jest to znaczące ograniczenie i że do obserwowanych wzorców mogły mieć wpływ czynniki środowiskowe lub behawioralne. Jednak nakładanie się danych na mysie potwierdza biologiczne znaczenie tych rytmów. Moment szczytu genów był różny u poszczególnych osób, prawdopodobnie pod wpływem osobistych nawyków lub wewnętrznych różnic biologicznych.

Czy rytmy 12-godzinne mogą mieć pochodzenie pływowe?

Niektórzy naukowcy uważają, że 12-godzinne rytmy u ssaków wyewoluowały z morskich zegarów dobowych. Pomysł ten potwierdzają nakładające się wzorce ekspresji genów u ssaków i organizmów morskich, w tym parzydełkowców i skałoczepów, przy czym badanie skałoczepów jest szczególnie godne uwagi ze względu na porywanie przez pływy.

Jednak to ewolucyjne powiązanie pozostaje niepewne. Wiele badań morskich przeprowadzono w cyklach światło-ciemność, a nie w warunkach międzypływowych, co sprawiło, że nie jest jasne, czy obserwowane 12-godzinne rytmy są rzeczywiście właściwe, czy też ma na nie wpływ światło. Co więcej, kluczowe szlaki, takie jak odpowiedź na rozwinięte białka i metabolizm lipidów, mają fundamentalne znaczenie dla funkcjonowania komórek u różnych gatunków. Podobieństwo w ekspresji rytmicznej może wynikać raczej z niezależnej ewolucji niż wspólnego pochodzenia. Badania przeprowadzone na Limpet C. Rota w warunkach pływowych wykazały silniejsze połączenie. Ogólnie rzecz biorąc, w przeglądzie zachowano ostrożność, jeśli chodzi o tworzenie bezpośrednich powiązań ewolucyjnych, ponieważ ewolucja zbieżna może wyjaśnić podobieństwa obserwowane między gatunkami.

Jednak wielokrotna obserwacja rytmów 12-godzinnych u różnych organizmów potwierdza ich znaczenie funkcjonalne. Rytmy te mogą pomóc komórkom przygotować się na przewidywalne zmiany metaboliczne lub środowiskowe, takie jak: B. Pory karmienia lub zmiany temperatury ciała, zgodnie z hipotezą „godzin szczytu” dotyczącą gotowości metabolicznej.

Kliniczne implikacje zakłóconych rytmów 12-godzinnych

Pojawiające się dowody sugerują, że zmienione rytmy 12-godzinne mogą przyczyniać się do chorób u ludzi. W jednym z badań próbki mózgu osób chorych na schizofrenię wykazały zaburzoną 12-godzinną ekspresję genów, szczególnie w szlakach związanych z utrzymaniem neuronów i zwijaniem białek (odpowiedź na rozwinięte białka). Chociaż nie jest jasne, czy ta interferencja przyczynia się do zaburzenia lub jego skutków, wyniki sugerują zbadanie związku.

U myszy rytmy 12-godzinne są zależne od stanu metabolicznego. Otyłość i nieregularne harmonogramy karmienia zakłócają te cykle. Rodzi to możliwość, że utrzymanie zdrowych rytmów ultradobowych może pomóc w ochronie przed zaburzeniami metabolicznymi i poznawczymi. Tak jak medycyna okołodobowa zmieniła podejście do snu i zaburzeń hormonalnych, tak chronobiologia ultradyczna może potencjalnie dostarczyć informacji na temat przyszłych strategii leczenia chorób psychicznych i metabolicznych, chociaż potrzebne są dalsze badania.

Wnioski

Rytmy dwunastogodzinne są obecnie uznawane za kluczową warstwę synchronizacji biologicznej, regulującą krytyczne procesy, takie jak metabolizm, reakcja na stres i funkcje odpornościowe. Chociaż wydaje się, że niektóre cykle 12-godzinne pochodzą z układu dobowego, inne mogą być napędzane przez różne mechanizmy obejmujące czynniki transkrypcyjne, takie jak XBP1. Dowody pochodzące od gatunków morskich, myszy i ludzi podkreślają powszechną obecność i potencjalne znaczenie tych rytmów. Ich zaburzenie obserwowano w takich schorzeniach jak schizofrenia i otyłość. Zrozumienie sposobu generowania i utrzymywania rytmów ultradobowych może prowadzić do innowacyjnych strategii zapobiegania chorobom i spersonalizowanej opieki medycznej.

Źródła: