Buňky s funkčními molekulárními hodinami se lépe přizpůsobují změnám v přísunu glukózy a rychleji se zotavují z dlouhodobé podvýživy, jak ukazuje studie zveřejněná v časopise eLife. Tento objev pomáhá vysvětlit, proč změny v cirkadiánním rytmu organismu, jako je noční práce a jet lag, mohou zvyšovat riziko metabolických onemocnění, jako je cukrovka.

Jemné doladění cirkadiánních hodin

Cirkadiánní hodiny jsou endogenní systém měření času s periodou přibližně 24 hodin, který organizuje řadu fyziologických procesů, zejména metabolismus. Na molekulární úrovni je založen na úzce propojených zpětnovazebných smyčkách transkripce a translace. V centru této regulace jsou transkripční faktory CLOCK a BMAL1. Tyto proteiny tvoří heterodimerový komplex, který se váže na specifické sekvence DNA a aktivuje transkripci různých cílových genů. Mezi tyto cílové geny patří geny rodiny period a cryptochrom, konkrétně gen PER a gen CRY.

Po transkripci jsou proteiny PER a CRY syntetizovány v cytoplazmě, kde se nejprve hromadí. V průběhu několika hodin tvoří proteinové komplexy a poté se vracejí do buněčného jádra. Tam inhibují aktivitu komplexu CLOCK-BMAL1, čímž potlačují expresi svých vlastních genů. Tato negativní zpětná vazba způsobuje postupné snižování produkce proteinů PER a CRY. Jakmile jsou existující proteiny degradovány buněčnými degradačními procesy, inhibice komplexu CLOCK-BMAL1 je odstraněna a cyklus začíná znovu. Časová prodleva mezi aktivací, akumulací a inhibicí vytváří samoudržující rytmus přibližně 24 hodin.

Kromě této centrální smyčky existují další regulační mechanismy, které přispívají ke stabilizaci a jemnému doladění cirkadiánních hodin. Důležitou roli v tomto procesu hrají jaderné receptory REV-ERBα a RORα, které regulují expresi BMAL1. Zatímco RORα aktivuje transkripci BMAL1, REV-ERBα má represivní účinek. Tato antagonistická interakce vytváří další zpětnovazebnou smyčku, která zvyšuje časovou přesnost a robustnost cirkadiánního systému.

Cirkadiánní hodiny a metabolismus

Cirkadiánní hodiny jsou úzce spojeny s metabolismem: na jedné straně hodiny rytmicky modulují mnoho metabolických drah a na druhé straně živiny a metabolické podněty ovlivňují funkci hodin. Toho je dosaženo jemně vyladěnými zpětnovazebnými smyčkami, ve kterých některé pozitivní složky hodin aktivují jiné, které zase mají negativní vliv na původně aktivující složky. Například metabolismus glukózy, syntéza lipidů a produkce energie v mitochondriích podléhají cirkadiánním výkyvům. Zároveň metabolické signály působí zpětně na hodiny a modulují jejich aktivitu. Jedním z příkladů je enzym SIRT1, jehož aktivita závisí na buněčné hladině NAD⁺. Jelikož tato hladina úzce souvisí s energetickým stavem buňky, může SIRT1 ovlivňovat aktivitu cirkadiánních transkripčních faktorů a tím přizpůsobovat hodiny metabolickému stavu. Dalším příkladem je AMP-aktivovaná protein kináza (AMPK), která se aktivuje při nedostatku energie a může mimo jiné ovlivňovat stabilitu proteinů CRY.

Tato obousměrná vazba vytváří jemně vyladěný systém, ve kterém cirkadiánní hodiny koordinují metabolické procesy, zatímco živiny, energetický stav a metabolické signály modulují funkci hodin. Tato úzká interakce umožňuje organismu optimálně přizpůsobit metabolické procesy dennímu a nočnímu rytmu a měnícím se podmínkám prostředí. „Vzhledem k tomu, že glukóza ovlivňuje tolik signálních drah, předpokládá se, že nedostatek glukózy by mohl narušit zpětnovazební smyčky cirkadiánních hodin a bránit jejich schopnosti udržovat konstantní rytmus,“ vysvětluje hlavní autorka Anita Szöke, doktorandka na Ústavu fyziologie Semmelweisovy univerzity v Budapešti v Maďarsku. „Chtěli jsme zkoumat, jak chronický nedostatek glukózy ovlivňuje molekulární hodiny a jakou roli hrají hodiny při přizpůsobování se hladu.“

Součásti hodin mají velký vliv na rovnováhu energetického metabolismu v buňkách

S využitím houby Neurospora crassa jako modelu tým nejprve zkoumal, jak 40hodinový nedostatek glukózy ovlivnil dvě základní součásti hodin, tzv. White Collar Complex (WCC), který se skládá ze dvou podjednotek WC-1 a 2, a Frequency (FRQ). Zjistili, že koncentrace WC1 a 2 postupně klesly na přibližně 15 % a 20 % jejich úrovně před hladověním, zatímco koncentrace FRQ zůstaly nezměněny, ale byly změněny přidáním mnoha fosfátových skupin (proces zvaný hyperfosforylace). Normálně hyperfosforylace brání FRQ v inhibici aktivity WCC, takže autoři spekulovali, že vyšší aktivita by mohla urychlit rozpad WCC. Když zkoumali následné účinky WCC, zjistili jen málo rozdílů mezi hladovějícími buňkami a buňkami, které stále rostly v glukóze. Celkově to naznačuje, že cirkadiánní hodiny během hladovění glukózy nadále fungovaly robustně a řídily rytmickou expresi buněčných genů.

Aby dále prozkoumali význam molekulárních hodin při adaptaci na nedostatek glukózy, použil tým kmen Neurospora bez domény WC-1 WCC. Poté porovnali úrovně genové exprese po nedostatku glukózy s úrovněmi Neurospora obsahující neporušené molekulární hodiny. Zjistili, že dlouhodobý nedostatek glukózy ovlivnil více než 20 % kódujících genů a že 1 377 z těchto 9 758 kódujících genů (13 %) vykazovalo změny specifické pro daný kmen v závislosti na tom, zda buňky měly molekulární hodiny nebo ne. To naznačuje, že hodiny jsou důležitým mechanismem pro reakci buněk na nedostatek glukózy.

Dále tým zkoumal, zda jsou funkční hodiny důležité pro regeneraci buněk po deprivaci glukózy. Zjistili, že růst buněk Neurospora bez funkčních FRQ nebo WCC byl po přidání glukózy výrazně pomalejší než u normálních buněk, což naznačuje, že funkční hodiny podporují regeneraci buněk. Při zkoumání systému transportu glukózy u Neurospora také zjistili, že buňky bez funkčních hodin nebyly schopny zvýšit produkci důležitého transportéru glukózy, který transportuje více živin do buňky. „Zřetelné rozdíly v regeneračním chování mezi kmeny hub s funkčními molekulárními hodinami a bez nich naznačují, že přizpůsobení se měnící se dostupnosti živin je účinnější, když v buňce fungují cirkadiánní hodiny,“ vysvětlila hlavní autorka studie Krisztina Káldi, docentka na Semmelweisově univerzitě. To naznačuje, že součásti hodin mají velký vliv na rovnováhu energetického metabolismu v buňkách, a podtrhuje význam hodin pro regulaci metabolismu a zdraví.