Циркадні біологія та біологічні годинники

Вступ до циркадних біології

Циркадні годинники — це самодостатні молекулярні осцилятори з періодичністю приблизно 24 години (з лат. circa diem, «приблизно день»), які координують біологічні процеси з щоденним світло-темрявчим циклом. Майже всі організми відціанобактерій до ссавців мають циркадні годинники, що відображає фундаментальну важливість прогнозування передбачуваних змін навколишнього середовища протягом еволюційного часу. Циркадні годинники регулюють цикли сон-неспання, температуру тіла, харчування, секрецію гормонів, обмін речовин, експресію генів (~40% кодуючих генів у ссавцях експресуються ритмічно), синхронізацію поділу клітин, метаболізм ліків, імунну функцію та репарацію тканин. Розбіжність циркадного збігування — через робочий графік, часові пояси або соціальну розбіжність — пов’язана зі збільшеним ризиком метаболічного синдрому, раку, серцево-судинних захворювань, депресії та порушення імунної функції.

У 2017 році Нобелівська премія з фізіології або медицини була присуджена Джефрі Холлу, Майклу Робашу та Майклу Юнгу за їхню роботу щодо вивчення молекулярного механізму циркадного годинника — відкриття генів період, timeless, clock, cycle, та cryptochrome у Drosophila та демонстрація того, як вони формують транскрипційно-трансляційний зворотний зв’язок (TTFL), що призводить до ~24-годинних коливань. Молекулярний годинник є клітинно-автономним — практично кожна клітина в організмі містить функціональний циркадний годинник — але периферійні годинники синхронізуються (ентраються) з основним годинником у супрахиазматичному ядрі (SCN) гіпоталамуса, яке, в свою чергу, ентрається світловими сигналами через внутрішньочутливі фоторецептори сітківки гангліозні клітини (ipRGCs) з меланоцином.

Механізм молекулярного годинника

Цикл зворотного зв’язку CLOCK-BMAL1

Тимчасовий цикл ссавчинського циркадного годинника базується на взаємозв’язаному транскрипційно-трансляційному відгубі. Основні позитивні елементи: CLOCK і BMAL1 утворюють гетеродимери, що зв’язуються з елементами E-box, стимулюючи транскрипцію генів Per1/2/3 та Cry1/2. Основні негативні елементи: білки PER і CRY накопичуються протягом дня, а потім в пізньому вечорі утворюють репресивні комплекси, що проникають в ядро, щоб пригнічувати транскрипцію CLOCK-BMAL1 — зменшуючи свою власну експресію. Коли комплекси PER/CRY поступово руйнуються (CK1epsilon/delta фосфорилизує PER, орієнтуючи його для деградації через E3-лігазу beta-TrCP), пригнічення знімається і починається новий цикл. Повний цикл триває приблизно 24 години — з Q10 приблизно 1 (незвично стабільно компенсований до температури для біохічної процесу). Додаткові цикли, що включають REV-ERBalpha/beta (репресивні) та ROR (активуючі) ядерні рецептори, які цільово направлені на Bmal1, забезпечують додаткову стабільність.

SCN як головний годинник і синхронізація

Двобічні супрахиазматичні ядра (SCN, приблизно 20 000 нейронів на півкулю) служать головним циркадним маятником у ссавців. Інформація про світло досягає SCN через ретиногіпоталамічний тракт (RHT) від меланоцит-збагачених ipRGC — світло індукує експресію Per1/2 в SCN через CRE (місця відповіді на cAMP Response Element) та SERUM (місце відповіді на транскрипцію) сайтів, фазово зсуваючи годинник. Нейрони SCN електрично і синаптично зв’язані, що призводить до синхронізованих коливань із меншою варіабельністю між клітинами, ніж у периферичних годинниках. Після видалення SCN у щурів, які вільно бігають, індивідуальні періодичні цикли годинників тканин відхиляються один від одного — демонструючи роль SCN у координації периферичних годинників. Периферична синхронізація годинників використовує гуморальні сигнали, що походять з SCN (мелатоїн, глюкокортикоїди, сигнали, пов’язані з харчуванням через автономну іннервацію, та ритми температури тіла) — найнижча температура тіла відбувається о 4-5 ранку перед пробудженням є потужним циркадним сигналом.

Регулювання циркадним ритмом фізіології

Циркадне Метаболізм — метаболічні процеси значною мірою регулюються циркадним годинником — і метаболічні сигнали зворотного зв’язку регулюють експресію генів годинника. NAD+ / NAMPT (ключовий для активності SIRT1, пов’язаної з годинником), AMPK (активує деградацію CRY1) та mTOR (контролює транслокацію PER2 в ядро) створюють бідиректтальне зв’язування між метаболізмом і годинником. Чутливість до інсуліну досягає піку вранці; чутливість до глюкози — ввечері — пояснюючи, чому однакові за калорією харчові порції, спожиті в різний час, викликають різні гіперглікемічні відповіді (сніданки нижче пікового рівня глюкози, ніж вечері). Ліпідний синтез у печінці та секреція дуже низькомолекулярних ліпід (ВЛЛ) досягають піку в активну фазу; синтез жовчних кислот відкривається до активної фази, керованої активністю CLOCK-BMAL1 на CYP7A1. Обмеження часу харчування (ОТХ), узгоджене з активною фазою, покращує метаболічні показники в основному завдяки посиленню циркадного вирівнювання в метаболічно активних тканинах.

Хронотерапія

Хронотерапія – це планування терапевтичних втручань з метою максимізації їх ефективності та мінімізації токсичності на основі циркадних фармакокінетики та фармакодинаміки – покращує результати при багатьох захворюваннях. Швидкість поділу клітин раку, обсяг відновлення ДНК та ферменти метаболізму ліків варіюються в залежності від часу доби; доставка венози або оксаліпліну ввечері зменшує нефротоксичність і нейротоксичність у деяких режимах. Артеріальний тиск досягає піку вранці (ранковий стрибок – пов’язаний з ранковою піковою ймовірністю серцевих нападів та інсультів); антигіпертензивні препарати, що приймаються перед сном, можуть забезпечити кращий циркадний контроль артеріального тиску. Інгаляційні кортикостероїди для астми (симптоми досягають піку вночі через циркадно-залежене дегранулювання тучних клітин) найбільш ефективні, коли приймаються ввечері. Клінічні хронотерапевтичні дослідження при раку (TEMPO, OPTINIV) використовують програмовані насоси для оптимального планування доставки хіміотерапії на основі циркадних біомаркерів.

Приклади та застосування

Приклад 1: Сіндром Запізненого Сну з Домінуючим Автосомним Типом

Синдромом запізненого сну з домінуючим автосомним типом (FASPS) характеризується екстремальною ранковою перевагою (сон з 19:30 до 03:30) без будь-якого дискомфорту, спричиненою мутаціями в генах циркадного годинника. Мутація hPER2 S662G у одній родині зменшує фосфорилювання CK1epsilon/delta PER2 – порушуючи послідовну фосфориляцію, яка маркує PER2 для деградації, стабілізуючи PER2 та скорочуючи період, що призводить до перенесення фази. Мутація CK1delta T44A у іншій родині зменшує активність CK1delta з подібними наслідками. Ці людські генетичні відкриття підтвердили каскад фосфорилювання CK1-PER2 як механізм визначення періоду годинника – пов’язуючи дrosophila та мишей з циркадними генами до людських фенотипів сну. Інгібітори CK1 та модифікатори PER є фармакологічними мішенями для зміни фази циркадного годинника у працівників змін, подорожніх за часовим поясом та пацієнтів з безсонням із запізненням.

Приклад 2: Зміни Циркадного Годинника та Ризик Раків

Робота в зміну часу класифікована як група 2А (ймовірий людини-раковідний агент) Міжнародною агенцією з питань раку (IARC) на основі епідеміологічних зв’язків із ризиком розвитку грудних, простати та колієвих рак. Механічно, циркадний зміщення порушує: фосфорилювання кінази WEE1 і CHK1, що опосередковується циркадним регулюванням, та розподіл клітин у фазі S-фази вночі, коли мають підвищений ризик мутацій; імунне спостереження (активність NK-клітин пікове в активній фазі; порушення їхнього часу виникнення погіршує імунний контроль над пухлинами); та вироблення мелатоніну (приглушене виробництво мелатоніну під час денного сну нічних робітників знижує потенційний антипроліферативний онкостатичний сигнал). Мутації BMAL1 у мишей призводять до більш раннього початку розвитку раку, спричиненого радіацією, і показують прискорений ріст пухлини в моделях трансплантації, безпосередньо пов’язуючи механізми годинника з приглушенням раку.

Приклад 3: Біологія Jet Lag

Jet lag виникає, коли швидке трансімеридиональне переміщення десинхронізує внутрішні циркадні годинники від нового місцевого часу. SCN повторно налаштовується приблизно на 1-2 години на день; периферійні годинники в печінці та кишечнику швидше повторно налаштовуються на час прийому їжі та сигналів їжі. У мишей, подорож на схід (фазне перенесення) складніше, ніж на захід (фазне запізнення), оскільки середній внутрішній період людини становить приблизно 24,2 години – трохи довше 24 годин, що полегшує запізнення, ніж перенесення. Стратегічний прийом мелатоніну (екзогенний мелатонин при місцевому часі відходу на сон) прискорює повторне налаштування SCN шляхом сигналу через рецептори мелатоніну SCN (MT1, MT2), пригнічуючи збудження нейронів SCN. Стратегічне освітлення (ранкове світло для фазного перенесення, вечірнє світло для фазного запізнення) точно націлюється на криву відповіді на світло SCN, щоб прискорити налаштування. Тасимелетон (Hetlioz)—агоніст MT1/MT2—затверджено для розладу порушеного 24-годинного сну у сліпих людей, які не мають фотографічного налаштування.

Приклад 4: Годинник Імунітету

Індивідуальні імунні відповіді мають поширену циркадну організацію. TLR-залежне вироблення цитокінів (TNF, IL-6, IL-12) макрофагами пікове вранці (активна фаза) у мишей; вакцинальні відповіді (титри антитіл після вакцинації проти грипу) значно вищі, коли вакцини вводяться вранці. Смертність від сепсису у госпіталізованих пацієнтів варіюється залежно від часу доби – смертність від септичного шоку найвища вранці. Транспорт Т-клітин з крові до лімфатичних вузлів циркадний (вираження CCR7 пікове в ранній фазі спокою у мишей); щільність інфілюючої пухлиною Т-клітини в біопсіях пухлин варіюється залежно від часу проведення операції – раннє хірургічне видалення пухлини корелює з покращеним виживанням у ретроспективних дослідженнях. Годинникові порушені миші (BMAL1 KO, CRY1/2 KO) дають надмірні запальні відповіді через втрату циркадного пригнічення NF-kappaB.

Приклад 5: Біологія Часових Обмежень Споживання Харчування

Часові обмеження споживання харчування (TRE)/часівки харчування – обмежуючи калорійне споживання протягом 6-10 годин, збігаючись з активною фазою – незалежно від калорійної дієти, покращують численні метаболічні та циркадні показники у мишей і попередні людські дослідження. Механізми включають: відновлення міцних коливань генів годинника в печінці, приглушених адептом на довільне харчування протягом темряви та світла фаз; зменшення гепатогенезу під час періоду спокою; покращення чутливості до інсуліну через циркадний регулювання mTOR і AMPK; зміцнення складу мікробіоти кишечника ритмічно; зниження запалення в жировому тиску. Лабораторія Сатчінанда Панди показала, що миші на висококалорійній дієті, але з обмеженим харчуванням протягом 8 годин, захищені від ожиріння, метаболічного синдрому та стеатозу печінки порівняно з контролями на довільному харчуванні, переважно за циркадних механізмів, а не через різницю в калоріях. Людські дослідження часових обмежень показують покращення показників нічистого глюкозу в крові, артеріального тиску та оксидативного стресу.

Приклад 6: Біологія Мелатоніну

Мелатонин, що виробляється виключно вночі за допомогою щитовидної залози у залежності від температури та світлозалежний пригнічений ритм, виконує функцію циркулюючого гормонального сигналу темряви та тривалості ночі для тіла – хімічне кодування фотоперіоду/пори сезонів. Мелатонин синтезується з триптофану через серотонін у двох етапах: AANAT (арил-алкіламін N-ацетилтрансфераза, лімітований швидкістю, що регулюється бета-адренергічними сигналами від SCN) і ASMT (ацетилсеротонін O-метилтрансфераза). Мелатонин діє через MT1 (пригнічуючи збудження нейронів SCN, полегшуючи початок сну) та MT2 рецептори (фазне перенесення). Навіть короткий вплив світла вночі (синій колір, 480 нм, що максимізує активацію меланіну в ipRGCs) пригнічує вироблення мелатоніну вже через 5 хвилин – механізм, який лежить в основі порушення початку сну за рахунок використання екранів перед сном.

Приклад 7: Хронотип та Генетика

Хронотип – індивідуальна перевага ранкової (лачка) або вечірньої (сова) активності, має значну спадковість (~50%) з генетичними варіантами в CRY1, RORC, FBXL3 і десятками локусів GWAS, включаючи PER3 (повтори Tandem Number Variable – 5-репіти гомозиготи є ранніми типами; 4-репіти вечірні типи). Серйозний варіант розладу порушеного 24-годинного сну в CRY1 (CRY1 c.1657+3A>C мутація зсуву рамки, спричинена укороченим CRY1) збільшує період циркадного годинника до 24,5 годин, що призводить до постійного запізнення, яке не може налаштуватися на соціальний графік тривалістю 24 години – аутосомний домінантний, який вражає приблизно 1 з 75 осіб. Соціальне розбіжність – різниця між біологічним годинником та соціальними зобов'язаннями (час початку роботи/навчання не узгоджується з хронотипом – в середньому становить 1,5-2 години у населення) пов’язана з ожирінням, метаболічним синдромом і серцево-судинним ризиком незалежно від тривалості сну.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері — відкрийте симулятори «Циркадні годинники» та «Вплив СН», змініть параметри, поки вони активні. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Circadian Clock & SCN Entrainment Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.