Komórki z działającym zegarem molekularnym lepiej dostosowują się do zmian w dostawach glukozy i szybciej wracają do zdrowia po długotrwałym niedożywieniu, jak pokazano w badaniu opublikowanym w eLife. To odkrycie pomaga wyjaśnić, dlaczego zmiany w rytmie dobowym organizmu – takie jak praca nocna i jet lag – mogą zwiększać ryzyko chorób metabolicznych, takich jak cukrzyca.

Precyzyjna regulacja zegara okołodobowego

Zegar okołodobowy to endogeniczny system pomiaru czasu o długości okresu około 24 godzin, który organizuje liczne procesy fizjologiczne, w szczególności metabolizm. Na poziomie molekularnym opiera się on na ściśle powiązanych pętlach sprzężenia zwrotnego transkrypcji i translacji. W centrum tej regulacji znajdują się czynniki transkrypcyjne gen CLOCK i gen BMAL1. Białka te tworzą kompleks heterodimerowy, który wiąże się z określonymi sekwencjami DNA i aktywuje transkrypcję różnych genów docelowych. Geny docelowe obejmują geny z rodziny period i cryptochrome, a mianowicie gen PER i gen CRY.

Po transkrypcji białka PER i CRY są syntetyzowane w cytoplazmie, gdzie początkowo się gromadzą. W ciągu kilku godzin tworzą kompleksy białkowe, a następnie powracają do jądra komórkowego. Tam hamują aktywność kompleksu CLOCK-BMAL1, tłumiąc w ten sposób ekspresję własnych genów. To ujemne sprzężenie zwrotne powoduje stopniowy spadek produkcji białek PER i CRY. Po rozkładzie istniejących białek w wyniku procesów degradacji komórkowej hamowanie kompleksu CLOCK-BMAL1 zostaje zniesione i cykl rozpoczyna się od nowa. Opóźnienie czasowe między aktywacją, akumulacją i hamowaniem tworzy samopodtrzymujący się rytm trwający około 24 godzin.

Oprócz tej centralnej pętli istnieją dodatkowe mechanizmy regulacyjne, które przyczyniają się do stabilizacji i precyzyjnego dostrajania zegara okołodobowego. Ważną rolę w tym procesie odgrywają receptory jądrowe REV-ERBα i RORα, które regulują ekspresję BMAL1. Podczas gdy RORα aktywuje transkrypcję BMAL1, REV-ERBα ma działanie represyjne. Ta antagonistyczna interakcja tworzy kolejną pętlę sprzężenia zwrotnego, która zwiększa precyzję czasową i odporność systemu okołodobowego.

Zegar okołodobowy a metabolizm

Zegary okołodobowe są ściśle powiązane z metabolizmem: z jednej strony zegar rytmicznie moduluje wiele szlaków metabolicznych, a z drugiej strony składniki odżywcze i bodźce metaboliczne wpływają na funkcjonowanie zegara. Osiąga się to dzięki precyzyjnie dostrojonym pętlom sprzężenia zwrotnego, w których niektóre pozytywne elementy zegara aktywują inne, które z kolei mają negatywny wpływ na pierwotnie aktywujące elementy. Na przykład metabolizm glukozy, synteza lipidów i produkcja energii mitochondrialnej podlegają wahaniom okołodobowym. Jednocześnie sygnały metaboliczne oddziałują na zegar i modulują jego aktywność. Przykładem tego jest enzym SIRT1, którego aktywność zależy od poziomu NAD⁺ w komórce. Ponieważ poziom ten jest ściśle powiązany ze stanem energetycznym komórki, SIRT1 może wpływać na aktywność czynników transkrypcyjnych zegara biologicznego, a tym samym dostosowywać zegar do stanu metabolicznego. Innym przykładem jest kinaza białkowa aktywowana przez AMP (AMPK), która jest aktywowana w przypadku braku energii i może między innymi wpływać na stabilność białek CRY.

To dwukierunkowe sprzężenie tworzy precyzyjnie dostrojony system, w którym zegar okołodobowy koordynuje procesy metaboliczne, a składniki odżywcze, stan energetyczny i sygnały metaboliczne modulują funkcjonowanie zegara. Ta ścisła interakcja umożliwia organizmowi optymalne dostosowanie procesów metabolicznych do rytmu dnia i nocy oraz zmieniających się warunków środowiskowych. „Ponieważ glukoza wpływa na tak wiele szlaków sygnałowych, zakłada się, że jej niedobór może zaburzać pętle sprzężenia zwrotnego zegara okołodobowego i utrudniać mu utrzymanie stałego rytmu” – wyjaśnia główna autorka badania, Anita Szöke, doktorantka w Instytucie Fizjologii Uniwersytetu Semmelweisa w Budapeszcie na Węgrzech. „Chcieliśmy zbadać, jak chroniczny niedobór glukozy wpływa na zegar molekularny i jaką rolę zegar odgrywa w adaptacji do głodu”.

Elementy zegara mają duży wpływ na równowagę metabolizmu energetycznego w komórkach

Wykorzystując grzyba Neurospora crassa jako model, zespół najpierw zbadał, jak 40-godzinny niedobór glukozy wpłynął na dwa podstawowe elementy zegara, tzw. kompleks White Collar (WCC), który składa się z dwóch podjednostek WC-1 i 2, oraz Frequency (FRQ). Odkryli, że stężenia WC1 i 2 stopniowo spadały odpowiednio do około 15% i 20% poziomu sprzed głodu, podczas gdy stężenia FRQ pozostały niezmienione, ale uległy zmianie poprzez dodanie wielu grup fosforanowych (proces zwany hiperfosforylacją). Zwykle hiperfosforylacja zapobiega hamowaniu aktywności WCC przez FRQ, więc autorzy spekulowali, że wyższa aktywność może przyspieszać rozpad WCC. Kiedy zbadali dalsze działania WCC, stwierdzili niewiele różnic między komórkami głodzonymi a komórkami nadal rosnącymi w glukozie. Podsumowując, sugeruje to, że zegar okołodobowy nadal działał sprawnie podczas głodu glukozy, napędzając rytmiczną ekspresję genów komórkowych.

Aby dokładniej zbadać znaczenie zegara molekularnego w adaptacji do niedoboru glukozy, zespół wykorzystał szczep Neurospora pozbawiony domeny WC-1 WCC. Następnie porównano poziomy ekspresji genów po niedoborze glukozy z poziomami w Neurospora zawierającej nienaruszony zegar molekularny. Odkryli, że długotrwały niedobór glukozy wpłynął na ponad 20% genów kodujących, a 1377 z tych 9758 genów kodujących (13%) wykazało zmiany specyficzne dla szczepu, w zależności od tego, czy komórki posiadały zegar molekularny, czy nie. Sugeruje to, że zegar jest ważnym mechanizmem odpowiedzi komórek na niedobór glukozy.

Następnie zespół zbadał, czy funkcjonujący zegar jest ważny dla regeneracji komórek po pozbawieniu glukozy. Odkryli, że wzrost komórek Neurospora bez funkcjonującego FRQ lub WCC był znacznie wolniejszy niż w przypadku normalnych komórek po dodaniu glukozy, co sugeruje, że funkcjonujący zegar wspomaga regenerację komórek. Badając system transportu glukozy w Neurospora, odkryli również, że komórki bez funkcjonującego zegara nie były w stanie zwiększyć produkcji ważnego transportera glukozy, aby przetransportować więcej składników odżywczych do komórki. „Wyraźne różnice w zachowaniu regeneracyjnym między szczepami grzybów z działającym zegarem molekularnym i bez niego sugerują, że adaptacja do zmieniającej się dostępności składników odżywczych jest bardziej efektywna, gdy w komórce działa zegar okołodobowy” – wyjaśniła główna autorka badania, Krisztina Káldi, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Semmelweisa. Sugeruje to, że elementy zegara mają duży wpływ na równowagę metabolizmu energetycznego w komórkach i podkreśla znaczenie zegara w regulacji metabolizmu i zdrowia.