Strokovnjaki preverjajo, kako 12-urni biološki cikli pri miših delujejo z namigi pri ljudeh

Strokovnjaki preverjajo, kako 12-urni biološki cikli pri miših delujejo z namigi pri ljudeh

Ali lahko skrita 12-urna ura vašega telesa skriva skrivnost presnovnega zdravja in bolezni? Nove raziskave povezujejo naše notranje ritme s starodavnimi oceanskimi plimovanjem.

Objavljeno v nedavni recenziji v JournaluNPJ Biološki čas in spanjeRaziskovalca Patrick Emery in Frédéric Gachon sta preučila mehanizme, fiziološki pomen in potencialni evolucijski izvor 12-urnih bioloških ritmov pri sesalcih, vključno z ljudmi, in ugotovila, ali ti ritmi predstavljajo edinstven časovni sistem ali izhajajo iz cirkadianih ali cirkatidnih ur.

ozadje

Zakaj se številni človeški geni aktivirajo dvakrat na dan namesto enkrat? Ta fascinanten vzorec odraža 12-urne biološke ritme, imenovane tudi ultradianski ali cirkasemidni cikli. Ti ritmi so dobro znani pri morskih živalih, ki se odzivajo na cikle plimovanja. Vendar pa so podobne 12-urne vzorce opazili v nedavnih študijah kopenskih živali, kot so miši in ljudje. Nekateri znanstveniki menijo, da so se ti ritmi razvili iz starodavnih ur za plimovanje, medtem ko jih drugi vidijo kot posebne in potrebne za obvladovanje hranjenja in stresa. Ker uravnavajo pomembne procese, kot sta metabolizem in imunski odziv, lahko zagotovijo vpogled v motnje, kot so debelost in duševne bolezni. Potrebne so nadaljnje raziskave za identifikacijo njihovih osnovnih mehanizmov.

Cirkadijski in cirkatidni ritmi: podobne ure ali ločeni sistemi?

Biološke ure pomagajo organizmom pri prilagajanju na ponavljajoče se okoljske spremembe. Cirkadiani ritmi sledijo 24-urnemu ciklu in nadzorujejo spanje, sproščanje hormonov in drugo dnevno vedenje. Te ritme uravnavajo proteini, vključno s cirkadianimi lokomotornimi izhodnimi cikli kaput (ura), možgani in mišice arnt-like 1 (BMAL1), obdobje (per), kriptokrom (jok) in brezčasno (TIM).

Cirkatidni ritmi, ki jih opazimo pri morskih živalih, se pojavijo vsakih 12,4 ure. Ti ritmi ustrezajo gibanju plimovanja in pomagajo vrstam, kot so raki, črvi in ​​raki, preživeti v obalnih habitatih. Na primer, morski rak Eurydice Pulchra in amfipod Parhyale Hawaaiensis še naprej kažeta 12,4-urne vedenjske vzorce, tudi če so cirkadiani geni, kot je B. Per, moteni. To kaže na obstoj ločenega 12,4-urnega oscilatorja, čeprav z mehanističnim prekrivanjem prek BMAL1. Vendar pa študije RNAi pri drugih rakih, kot je Eurydice Pulchra, kažejo, da so cirkadiani ritmi neodvisni od osnovnih cirkadianih genov, kot sta Per in Clock, kar kaže na zapleten odnos. Ti rezultati kažejo, kako se lahko cirkadiani in cirkatidni mehanizmi prekrivajo ali delujejo neodvisno, odvisno od organizma in konteksta.

12-urni genski ritmi pri miših: onkraj cirkadiane ure

Odkritje 12-urnih vzorcev izražanja genov v jetrih miši je razkrilo poseben ritmični cikel, ločen od 24-urne cirkadiane ure. Ti ultradični ritmi vztrajajo tudi v nenehni temi in izoliranih celicah, kar kaže na nadzor s pretežno celično avtonomnimi mehanizmi in ne z možganskimi signali. Številni vpleteni geni so povezani s stresnim odzivom, mitohondrijsko aktivnostjo in odzivom na nezvite proteine ​​(UPR). X-box binding protein 1 (XBP1), transkripcijski faktor, aktiviran med stresom endoplazmatskega retikuluma, igra pomembno, vendar ne izključno vlogo pri uravnavanju teh ritmov. Vendar, ko je bil XBP1 izbrisan v mišjih jetrih, so 12-urni ritmi vztrajali, kar kaže, da so vključeni drugi regulatorni elementi. To je vodilo raziskovalce k vprašanju, ali ti ritmi izhajajo iz namenskega 12-urnega oscilatorja ali prek interakcij med signali hranjenja, napetostjo in cirkadianimi signali ter so modulirani z ritmi hranjenja in sistemskimi znaki. Trenutni dokazi kažejo, da lahko več prekrivajočih se sistemov sodeluje pri ustvarjanju in vzdrževanju 12-urnih vzorcev izražanja genov pri sesalcih.

Ali so pri ljudeh prisotni 12-urni ritmi?

Študije na ljudeh so potrdile 12-urne vzorce izražanja genov. V 48-urni študiji treh ljudi je 653 genov sledilo 12-urnemu ciklu, drugačnemu od tistih, ki so kazali 24-urne cirkadiane ritme. Ti ultradianski geni so bili vključeni v stres, metabolizem in imunsko funkcijo in so bili zelo podobni pri miših, zlasti tistih, ki jih ureja XBP1. Čeprav so udeleženci sami nadzorovali svojo razsvetljavo in obroke, kar bi lahko vplivalo na rezultate, prvotna raziskava poudarja, da je to pomembna omejitev in da so lahko okoljski ali vedenjski dejavniki prispevali k opazovanim vzorcem. Vendar pa prekrivanje s podatki miške podpira biološki pomen teh ritmov. Čas genskih vrhov se je med posamezniki razlikoval, na kar so verjetno vplivale osebne navade ali notranje biološke razlike.

Bi lahko 12-urni ritmi izvirali iz plimovanja?

Nekateri znanstveniki verjamejo, da so se 12-urni ritmi pri sesalcih razvili iz morskih cirkadianih ur. Ta ideja je podprta s prekrivajočimi se vzorci izražanja genov med sesalci in morskimi organizmi, vključno z žarnicami in šmarnicami, pri čemer je študija šmarnice še posebej opazna zaradi svojega plimovanja.

Vendar ta evolucijska povezava ostaja negotova. Številne morske raziskave so bile izvedene v ciklih svetlo-tema in ne v razmerah plimovanja, zaradi česar ni jasno, ali so opazovani 12-urni ritmi resnično ustrezni ali nanje vpliva svetloba. Poleg tega so ključne poti, kot sta razvit proteinski odziv in metabolizem lipidov, bistvenega pomena za celično delovanje različnih vrst. Podobnost v ritmičnem izražanju je lahko posledica neodvisne evolucije in ne skupnega izvora. Študija v Limpet C. Rota, izvedena v razmerah plimovanja, zagotavlja močnejšo povezavo. Na splošno je pregled previden glede vzpostavljanja neposrednih evolucijskih povezav, ker lahko konvergentna evolucija pojasni podobnosti, opažene med vrstami.

Vendar ponavljajoče se opazovanje 12-urnih ritmov v različnih organizmih podpira njihov funkcionalni pomen. Ti ritmi lahko pomagajo celicam, da se pripravijo na predvidljive presnovne ali okoljske spremembe, kot so: B. Časi hranjenja ali premiki v telesni temperaturi, kot je predlagano v hipotezi o "urni uri" za presnovno pripravljenost.

Klinične posledice motenega 12-urnega ritma

Pojavljajoči se dokazi kažejo, da lahko spremenjeni 12-urni ritem prispeva k bolezni ljudi. V eni študiji so vzorci možganov ljudi s shizofrenijo pokazali moteno 12-urno izražanje genov, zlasti v poteh, povezanih z vzdrževanjem nevronov in zvijanjem beljakovin (razvit proteinski odziv). Čeprav ni jasno, ali ta interferenca prispeva k motnji ali rezultatom, rezultati kažejo na raziskovanje odnosa.

Pri miših so 12-urni ritmi občutljivi na presnovni status. Debelost in neredni urniki hranjenja ublažijo te cikle. To povečuje možnost, da bi lahko vzdrževanje zdravih ultradijskih ritmov pomagalo pri zaščiti pred presnovnimi in kognitivnimi motnjami. Tako kot je cirkadiana medicina spremenila pristope k spanju in hormonskim motnjam, ima ultradična kronobiologija potencial za obveščanje o prihodnjih strategijah zdravljenja psihiatričnih in presnovnih bolezni, čeprav so potrebne nadaljnje raziskave.

Sklepi

Dvanajsturni ritmi so zdaj prepoznani kot ključna plast biološkega časovnega razporeda, ki uravnava kritične procese, kot so presnova, odziv na stres in imunska funkcija. Medtem ko se zdi, da nekateri 12-urni cikli izvirajo iz cirkadianega sistema, lahko druge poganjajo različni mehanizmi, ki vključujejo transkripcijske faktorje, kot je XBP1. Dokazi o morskih vrstah, miših in ljudeh poudarjajo razširjenost in potencialno pomembnost teh ritmov. Njihovo motnjo so opazili pri stanjih, kot sta shizofrenija in debelost. Razumevanje, kako se ustvarjajo in vzdržujejo ti ultradianski ritmi, lahko vodi do inovativnih strategij za preprečevanje bolezni in prilagojeno zdravstveno oskrbo.

Viri: