Celler med et fungerende molekylært ur er bedre i stand til at tilpasse sig ændringer i glukosetilførslen og kommer sig hurtigere efter langvarig underernæring, som det fremgår af en undersøgelse offentliggjort i eLife. Denne opdagelse hjælper med at forklare, hvorfor ændringer i kroppens døgnrytme – såsom natarbejde og jetlag – kan øge risikoen for metaboliske sygdomme såsom diabetes.

Finjustering af døgnrytmen

Det cirkadiske ur er et endogent tidsmålesystem med en periode på cirka 24 timer, der organiserer adskillige fysiologiske processer, især stofskiftet. På molekylært niveau er det baseret på tæt sammenkædede transkriptions-translation-feedback-sløjfer. I centrum for denne regulering står transkriptionsfaktorerne CLOCK-genet og BMAL1-genet. Disse proteiner danner et heterodimerkompleks, der binder sig til specifikke DNA-sekvenser og aktiverer transkriptionen af forskellige målgener. Disse målgener omfatter generne i period- og kryptochromfamilien, nemlig PER-genet og CRY-genet.

Efter transkription syntetiseres PER- og CRY-proteinerne i cytoplasmaet, hvor de oprindeligt akkumuleres. I løbet af flere timer danner de proteinkomplekser og vender derefter tilbage til cellekernen. Der hæmmer de aktiviteten af CLOCK-BMAL1-komplekset og undertrykker dermed deres egen genekspression. Denne negative feedback medfører, at produktionen af PER- og CRY-proteiner gradvist aftager. Når de eksisterende proteiner er blevet nedbrudt af cellulære nedbrydningsprocesser, fjernes hæmningen af CLOCK-BMAL1-komplekset, og cyklussen begynder forfra. Tidsforsinkelsen mellem aktivering, akkumulering og hæmning skaber en selvopretholdende rytme på ca. 24 timer.

Ud over denne centrale sløjfe findes der yderligere reguleringsmekanismer, der bidrager til stabiliseringen og finjusteringen af det cirkadiske ur. De nukleare receptorer REV-ERBα og RORα, som regulerer ekspressionen af BMAL1, spiller en vigtig rolle i denne proces. Mens RORα aktiverer transskriptionen af BMAL1, har REV-ERBα en hæmmende virkning. Denne antagonistiske interaktion skaber en anden feedback-loop, der øger det cirkadiske systems tidsmæssige præcision og robusthed.

Døgnrytme og stofskifte

Det cirkadiske ur er tæt forbundet med stofskiftet: På den ene side modulerer uret rytmisk mange metaboliske veje, og på den anden side påvirker næringsstoffer og metaboliske stimuli urets funktion. Dette opnås ved hjælp af finjusterede feedback-sløjfer, hvor nogle positive komponenter i uret aktiverer andre, som igen har en negativ effekt på de oprindeligt aktiverende komponenter. For eksempel er glukosemetabolisme, lipidsyntese og mitokondriel energiproduktion underlagt cirkadiske svingninger. Samtidig virker metaboliske signaler tilbage på uret og regulerer dets aktivitet. Et eksempel på dette er enzymet SIRT1, hvis aktivitet afhænger af det cellulære NAD⁺-niveau. Da dette niveau er tæt forbundet med cellens energitilstand, kan SIRT1 påvirke aktiviteten af cirkadiske transkriptionsfaktorer og dermed tilpasse uret til den metaboliske tilstand. Et andet eksempel er AMP-aktiveret proteinkinase (AMPK), som aktiveres, når der er mangel på energi, og som blandt andet kan påvirke stabiliteten af CRY-proteiner.

Denne tovejs-kobling skaber et finjusteret system, hvor det cirkadiske ur koordinerer metaboliske processer, mens næringsstoffer, energistatus og metaboliske signaler modulerer urets funktion. Denne tætte interaktion gør det muligt for organismen at tilpasse metaboliske processer optimalt til døgnrytmen og skiftende miljøforhold. „Da glukose påvirker så mange signalveje, antages det, at en glukosemangel kan forringe cirkadiske urets feedback-loop og hæmme dets evne til at opretholde en konstant rytme,” forklarer hovedforfatter Anita Szöke, ph.d.-studerende ved Institut for Fysiologi ved Semmelweis Universitet i Budapest, Ungarn. „Vi ønskede at undersøge, hvordan kronisk glukosemangel påvirker det molekylære ur, og hvilken rolle uret spiller i tilpasningen til sult.”

Urkomponenter har stor indflydelse på balancen i energimetabolismen i cellerne

Ved hjælp af svampen Neurospora crassa som model undersøgte teamet først, hvordan en 40-timers glukosemangel påvirkede to centrale komponenter i uret, det såkaldte White Collar Complex (WCC), som består af de to underenheder WC-1 og 2, og Frequency (FRQ). De fandt, at koncentrationerne af WC1 og 2 gradvist faldt til henholdsvis ca. 15 % og 20 % af deres niveauer før sulten, mens FRQ-koncentrationerne forblev uændrede, men blev ændret ved tilsætning af mange fosfatgrupper (en proces kaldet hyperfosforylering). Normalt forhindrer hyperfosforylering FRQ i at hæmme WCC-aktiviteten, så forfatterne spekulerede i, at den højere aktivitet kunne fremskynde nedbrydningen af WCC. Da de undersøgte WCC’s nedstrøms handlinger, var der få forskelle mellem de sultede celler og dem, der stadig voksede i glukose. Samlet set tyder dette på, at det cirkadiske ur fortsatte med at fungere robust under glukosesult og drev den rytmiske ekspression af cellulære gener.

For yderligere at undersøge det molekylære urets betydning for tilpasningen til glukosemangel anvendte teamet en Neurospora-stamme, der manglede WC-1-domænet i WCC. De sammenlignede derefter genekspressionsniveauerne efter glukosemangel med dem i Neurospora, der indeholdt et intakt molekylært ur. De fandt, at langvarig glukosemangel påvirkede mere end 20 % af de kodende gener, og at 1.377 af disse 9.758 kodende gener (13 %) viste stamme-specifikke ændringer afhængigt af, om cellerne havde et molekylært ur eller ej. Dette tyder på, at uret er en vigtig mekanisme for cellernes reaktion på glukosemangel.

Dernæst undersøgte teamet, om et fungerende ur er vigtigt for cellernes genopretning efter glukoseberøvelse. De fandt, at væksten af Neurospora-celler uden et fungerende FRQ eller WCC var signifikant langsommere end for normale celler efter tilsætning af glukose, hvilket tyder på, at et fungerende ur understøtter celleregenerering. Da de undersøgte Neurosporas glukosetransportsystem, fandt de også, at celler uden et fungerende ur ikke var i stand til at øge produktionen af en vigtig glukosetransportør til at transportere flere næringsstoffer ind i cellen. „De tydelige forskelle i genopretningsadfærd mellem svampestammer med og uden fungerende molekylære ure tyder på, at tilpasningen til ændringer i næringsstofforsyningen er mere effektiv, når et cirkadisk ur fungerer i en celle,” forklarede hovedforfatter Krisztina Káldi, lektor ved Semmelweis Universitet. Dette tyder på, at urkomponenter har stor indflydelse på balancen i cellernes energimetabolisme og understreger urets betydning for reguleringen af stofskiftet og sundheden.