Kombinace matematického modelování a experimentů identifikuje rozdíl v molekulárním hodinovém stroji hlavních a vedlejších hodinových neuronů u drozofily. Tím je vyřešena dlouholetá záhada molekulárních mechanismů zodpovědných za paradoxní vlastnosti cirkadiánních (~24hodinových) hodin, kterými jsou robustnost (silné rytmy) a plasticita (pružná adaptace).

Jak je regulován náš denní rytmus

Všichni živočichové na Zemi, od drobných ovocných mušek až po člověka, udržují svůj denní rytmus pomocí vnitřních cirkadiánních hodin. Cirkadiánní hodiny umožňují organismům podstupovat rytmické změny v chování a fyziologii na základě 24hodinového cirkadiánního cyklu. Například naše vlastní biologické hodiny dávají našemu mozku pokyn, aby v noci uvolňoval melatonin, hormon podporující spánek. Za objev molekulárního mechanismu cirkadiánních hodin byla v roce 2017 udělena Nobelova cena za fyziologii nebo lékařství. Podle našich současných znalostí neexistují žádné centrální hodiny, které by byly zodpovědné za naše cirkadiánní cykly. Místo toho tento mechanismus funguje v hierarchické síti, v níž existují „hlavní hodiny“ a „podřízené oscilátory“.

Hlavní hodiny přijímají různé vstupní signály z prostředí, například světlo. Hlavní hodiny pak řídí podřízené oscilátory, které regulují různé výstupy, jako je spánek, výživa a metabolismus. Navzdory různým funkcím kardiostimulátorů neuronů je známo, že mají společné molekulární mechanismy, které jsou dobře zachovány u všech forem života. Například u ovocných mušek byly podrobně studovány propojené systémy vícenásobných transkripčně-translačních zpětnovazebních smyček (TTFL) sestávajících z proteinů jaderných hodin.

Funkce hlavních a podřízených hodin prostřednictvím různých molekulárních mechanismů

O našich vlastních biologických hodinách se však stále máme co učit. Hierarchicky uspořádaná povaha neuronů hlavních a podřízených hodin vede k rozšířenému předpokladu, že mají identické molekulární hodiny. Rozdílné role, které hrají při regulaci tělesných rytmů, zároveň vyvolávají otázku, zda mohou fungovat s různými molekulárními hodinovými strojky. Vědci z Institutu pro základní vědu (IBS) a univerzity v Ajou pod vedením profesorů KIM Jae Kyounga a KIM Eun Young použili k zodpovězení této otázky kombinaci matematických a experimentálních přístupů s využitím ovocných mušek. Tým zjistil, že hlavní a podřízené hodiny fungují prostřednictvím různých molekulárních mechanismů.

Protein cirkadiánního rytmu zvaný PER je produkován jak v hlavních, tak v podřízených neuronech ovocných mušek a je degradován různou rychlostí v závislosti na denní době. Již dříve tým zjistil, že neurony hlavních hodin (_sLNvs) a neurony podřízených hodin (_DN1ps) u divokého typu a mutantů Clk-Δ drozofily mají odlišné profily PER. To naznačovalo, že mezi neurony hlavních a podřízených hodin může existovat rozdíl v mechanismech molekulárních hodin.

Vzhledem ke složitosti molekulárního hodinového stroje však bylo obtížné určit příčinu těchto rozdílů. Tým proto vyvinul matematický model popisující molekulární hodinový stroj hlavních a podřízených hodin. Všechny možné molekulární rozdíly mezi neurony hlavních a podřízených hodin pak byly systematicky zkoumány pomocí počítačových simulací. Model předpověděl, že PER je v hlavních hodinách produkován efektivněji a následně rychleji degradován než v neuronech podřízených hodin. Tato předpověď byla následně potvrzena následnými experimenty na zvířatech.

Když cirkadiánní hodiny ztratí svou robustnost a flexibilitu, může dojít k poruchám cirkadiánního spánku

Proč tedy mají hlavní hodinové neurony tak odlišné molekulární vlastnosti od podřízených hodinových neuronů? Pro zodpovězení této otázky výzkumný tým opět zkombinoval simulace matematického modelu s experimenty. Zjistili, že rychlejší syntéza PER v hlavních hodinových neuronech jim umožňuje generovat synchronizované rytmy s vysokou amplitudou. Generování takového silného rytmu s vysokou amplitudou je klíčové pro vysílání jasných signálů podřízeným hodinovým neuronům. Takto silné rytmy jsou však obecně nepříznivé, pokud jde o přizpůsobení se změnám prostředí. Ty zahrnují jak přirozené příčiny, jako je rozdílná délka denního světla v létě a v zimě, tak i extrémnější umělé případy, jako je jet lag po mezinárodní cestě.

Díky zvláštní vlastnosti hlavních hodinových neuronů mohou při narušení normálního cyklu světla a tmy podléhat fázovému rozptylu, což způsobuje dramatický pokles hladiny PER. Neurony hlavních hodin se pak mohou snadno přizpůsobit novému dennímu cyklu. Plasticita našich hlavních hodin vysvětluje, proč se po mezinárodních letech dokážeme rychle přizpůsobit novému časovému pásmu již po krátké fázi jet lagu. Doufáme, že výsledky této studie budou mít v budoucnu klinické důsledky pro léčbu různých poruch, které ovlivňují náš cirkadiánní rytmus. Vedoucí výzkumník Kim vysvětlil: „Když cirkadiánní hodiny ztratí svou robustnost a flexibilitu, může dojít k poruchám cirkadiánního spánku. Protože tato studie identifikuje molekulární mechanismus, který vytváří robustnost a flexibilitu cirkadiánních hodin, může usnadnit identifikaci příčiny a strategii léčby cirkadiánních poruch spánku.“