Odborníci skúmajú, ako 12-hodinové biologické cykly u myší fungujú so stopami u ľudí

Odborníci skúmajú, ako 12-hodinové biologické cykly u myší fungujú so stopami u ľudí

Mohli by skryté 12-hodinové hodiny vášho tela ukryť tajomstvo metabolického zdravia a chorôb? Nový výskum spája naše vnútorné rytmy so starými oceánskymi prílivmi.

Uverejnené v nedávnej recenzii v časopiseNPJ Biologické načasovanie a spánokVýskumníci Patrick Emery a Frédéric Gachon skúmali mechanizmy, fyziologický význam a potenciálny evolučný pôvod 12-hodinových biologických rytmov u cicavcov, vrátane ľudí, a určili, či tieto rytmy predstavujú jedinečný systém časovania alebo sú odvodené od cirkadiánnych alebo cirkatidových hodín.

pozadia

Prečo sa mnohé ľudské gény aktivujú dvakrát denne, a nie raz? Tento fascinujúci vzor odráža 12-hodinové biologické rytmy, ktoré sa tiež nazývajú ultradiánske alebo cirkasemidské cykly. Tieto rytmy sú dobre známe u morských živočíchov, ktoré reagujú na prílivové cykly. Podobné 12-hodinové vzorce však boli pozorované v nedávnych štúdiách na suchozemských zvieratách, ako sú myši a ľudia. Niektorí vedci naznačujú, že tieto rytmy sa vyvinuli zo starých prílivových hodín, zatiaľ čo iní ich považujú za odlišné a nevyhnutné na zvládnutie kŕmenia a stresu. Pretože regulujú dôležité procesy, ako je metabolizmus a imunitné reakcie, môžu poskytnúť pohľad na poruchy, ako je obezita a duševné choroby. Na identifikáciu ich základných mechanizmov je potrebný ďalší výskum.

Cirkadiánne a cirkadálne rytmy: Podobné hodiny alebo samostatné systémy?

Biologické hodiny pomáhajú organizmom adaptovať sa na opakujúce sa zmeny prostredia. Cirkadiánne rytmy sledujú 24-hodinový cyklus a riadia spánok, uvoľňovanie hormónov a iné každodenné správanie. Tieto rytmy sú regulované proteínmi vrátane cirkadiánnych lokomotorických výstupných cyklov kaput (hodiny), mozgových a svalových arnt-like 1 (BMAL1), periódy (per), kryptochrómu (plač) a nadčasového (TIM).

Cirkatídne rytmy pozorované u morských živočíchov sa vyskytujú každých 12,4 hodín. Tieto rytmy zodpovedajú prílivovým pohybom a pomáhajú druhom, ako sú kraby, červy a kôrovce, prežiť v pobrežných biotopoch. Napríklad morský kôrovec Eurydice Pulchra a amfipod Parhyale Hawaaiensis naďalej vykazujú 12,4-hodinové vzorce správania, aj keď sú narušené cirkadiánne gény, ako napríklad B. Per. To naznačuje existenciu samostatného 12,4 hodinového oscilátora, aj keď s mechanickým prekrývaním cez BMAL1. Avšak u iných kôrovcov, ako je Eurydice Pulchra, štúdie RNAi ukazujú, že cirkadiánne rytmy sú nezávislé od základných cirkadiánnych génov, ako sú Per a Clock, čo naznačuje zložitý vzťah. Tieto výsledky ukazujú, ako sa cirkadiánne a cirkadálne mechanizmy môžu prekrývať alebo fungovať nezávisle v závislosti od organizmu a kontextu.

12-hodinové génové rytmy u myší: Za cirkadiánnymi hodinami

Objav 12-hodinových vzorcov génovej expresie v myšacej pečeni odhalil zreteľný rytmický cyklus oddelený od 24-hodinových cirkadiánnych hodín. Tieto ultradické rytmy tiež pretrvávajú v konštantnej tme a izolovaných bunkách, čo naznačuje, že kontrolu majú skôr autonómne mechanizmy než mozgové signály. Mnohé zo zapojených génov sú spojené so stresovou reakciou, mitochondriálnou aktivitou a odpoveďou na rozvinutý proteín (UPR). X-box viažuci proteín 1 (XBP1), transkripčný faktor aktivovaný počas stresu endoplazmatického retikula, hrá dôležitú, ale nie výlučnú úlohu pri regulácii týchto rytmov. Keď sa však XBP1 vymazal v pečeni myši, 12-hodinové rytmy pretrvávali, čo naznačuje, že sú zapojené ďalšie regulačné prvky. To viedlo výskumníkov k otázke, či tieto rytmy vznikajú z vyhradeného 12-hodinového oscilátora alebo prostredníctvom interakcií medzi kŕmením, napätím a cirkadiánnymi signálmi a sú modulované rytmami kŕmenia a systémovými podnetmi. Súčasné dôkazy naznačujú, že viaceré prekrývajúce sa systémy môžu spolupracovať pri vytváraní a udržiavaní 12-hodinových vzorcov génovej expresie u cicavcov.

Sú u ľudí prítomné 12-hodinové rytmy?

Štúdie na ľuďoch potvrdili 12-hodinové vzorce génovej expresie. V 48-hodinovej štúdii troch ľudí sledovalo 653 génov 12-hodinový cyklus, odlišný od tých, ktoré vykazovali 24-hodinové cirkadiánne rytmy. Tieto ultradiánne gény sa podieľali na strese, metabolizme a imunitnej funkcii a boli veľmi podobné u myší, najmä u myší regulovaných XBP1. Hoci účastníci ovládali svoje vlastné osvetlenie a jedlo, čo by mohlo ovplyvniť výsledky, pôvodný výskum zdôrazňuje, že ide o významné obmedzenie a že k pozorovaným vzorcom mohli prispieť faktory prostredia alebo správania. Prekrývanie s údajmi o myšiach však podporuje biologickú relevantnosť týchto rytmov. Načasovanie vrcholov génov sa medzi jednotlivcami líšilo, pravdepodobne ovplyvnené osobnými návykmi alebo vnútornými biologickými rozdielmi.

Môžu mať 12-hodinové rytmy prílivový pôvod?

Niektorí vedci sa domnievajú, že 12-hodinové rytmy u cicavcov sa vyvinuli z morských cirkadiánnych hodín. Táto myšlienka je podporená prekrývajúcimi sa vzormi génovej expresie medzi cicavcami a morskými organizmami, vrátane cnidarians a limpetov, pričom štúdia limpet je obzvlášť pozoruhodná pre jej strhávanie prílivom a odlivom.

Toto evolučné spojenie však zostáva neisté. Mnoho morských prieskumov sa uskutočnilo v cykloch svetlo-tma, a nie v prílivových podmienkach, vďaka čomu nebolo jasné, či sú pozorované 12-hodinové rytmy skutočne vhodné alebo či sú ovplyvnené svetlom. Okrem toho sú kľúčové dráhy, ako je rozložená proteínová odpoveď a metabolizmus lipidov, základom bunkovej funkcie naprieč druhmi. Podobnosť v rytmickom prejave môže vyplývať skôr z nezávislého vývoja než zo spoločného pôvodu. Štúdia v Limpet C. Rota, uskutočnená za prílivových podmienok, poskytuje silnejšie spojenie. Celkovo je prehľad opatrný pri vytváraní priamych evolučných spojení, pretože konvergentná evolúcia môže vysvetliť podobnosti pozorované medzi druhmi.

Opakované pozorovanie 12-hodinových rytmov v rôznych organizmoch však podporuje ich funkčný význam. Tieto rytmy môžu pomôcť bunkám pripraviť sa na predvídateľné metabolické alebo environmentálne zmeny, ako sú: B. Časy kŕmenia alebo zmeny telesnej teploty, ako sa navrhuje v hypotéze „špičkovej hodiny“ pre metabolickú pripravenosť.

Klinické dôsledky narušených 12-hodinových rytmov

Nové dôkazy naznačujú, že zmenené 12-hodinové rytmy môžu prispieť k ochoreniu ľudí. V jednej štúdii vzorky mozgu od ľudí so schizofréniou ukázali narušenú 12-hodinovú génovú expresiu, najmä v dráhach spojených s udržiavaním neurónov a skladaním proteínov (rozložená proteínová odpoveď). Hoci nie je jasné, či táto interferencia prispieva k poruche alebo výsledkom, výsledky naznačujú skúmanie vzťahu.

U myší sú 12-hodinové rytmy citlivé na metabolický stav. Obezita a nepravidelný režim kŕmenia tieto cykly tlmia. To zvyšuje možnosť, že udržiavanie zdravých ultradiánskych rytmov by mohlo pomôcť chrániť pred metabolickými a kognitívnymi poruchami. Rovnako ako cirkadiánna medicína zmenila prístupy k spánku a hormonálnym poruchám, ultradická chronobiológia má potenciál informovať o budúcich stratégiách liečby psychiatrických a metabolických chorôb, hoci je potrebný ďalší výskum.

Závery

Dvanásťhodinové rytmy sú teraz uznávané ako kľúčová vrstva biologického načasovania, ktorá reguluje kritické procesy, ako je metabolizmus, reakcia na stres a imunitné funkcie. Zatiaľ čo sa zdá, že niektoré 12-hodinové cykly pochádzajú z cirkadiánneho systému, iné môžu byť poháňané rôznymi mechanizmami zahŕňajúcimi transkripčné faktory, ako je XBP1. Dôkazy od morských druhov, myší a ľudí zdôrazňujú rozšírenú prítomnosť a potenciálny význam týchto rytmov. Ich porucha bola pozorovaná pri stavoch, ako je schizofrénia a obezita. Pochopenie toho, ako sa tieto ultradiánne rytmy vytvárajú a udržiavajú, môže viesť k inovatívnym stratégiám prevencie chorôb a personalizovanej lekárskej starostlivosti.

Zdroje: