Cellen met een goed werkende moleculaire klok kunnen zich beter aanpassen aan veranderingen in de glucosetoevoer en herstellen sneller van langdurige ondervoeding, zo blijkt uit een studie gepubliceerd in eLife. Deze ontdekking helpt verklaren waarom veranderingen in het circadiane ritme van het lichaam – zoals nachtwerk en jetlag – het risico op stofwisselingsziekten zoals diabetes kunnen verhogen.

De circadiane klok nauwkeurig afstellen

De circadiane klok is een endogeen tijdregistratiesysteem met een periode van ongeveer 24 uur dat talrijke fysiologische processen, met name de stofwisseling, organiseert. Op moleculair niveau is het gebaseerd op nauw met elkaar verbonden transcriptie-translatie-feedbacklussen. Centraal in deze regulering staan de transcriptiefactoren CLOCK-gen en BMAL1-gen. Deze eiwitten vormen een heterodimeercomplex dat zich bindt aan specifieke DNA-sequenties en de transcriptie van verschillende doelgenen activeert. Tot deze doelgenen behoren de genen van de period- en cryptochroomfamilie, namelijk het PER-gen en het CRY-gen.

Na transcriptie worden de PER- en CRY-eiwitten gesynthetiseerd in het cytoplasma, waar ze zich aanvankelijk ophopen. In de loop van enkele uren vormen ze eiwitcomplexen en keren ze vervolgens terug naar de celkern. Daar remmen ze de activiteit van het CLOCK-BMAL1-complex, waardoor ze hun eigen genexpressie onderdrukken. Deze negatieve feedback zorgt ervoor dat de productie van PER- en CRY-eiwitten geleidelijk afneemt. Zodra de bestaande eiwitten door cellulaire afbraakprocessen zijn afgebroken, wordt de remming van het CLOCK-BMAL1-complex opgeheven en begint de cyclus opnieuw. De tijdsvertraging tussen activering, accumulatie en remming zorgt voor een zichzelf in stand houdend ritme van ongeveer 24 uur.

Naast deze centrale lus zijn er nog andere regulerende mechanismen die bijdragen aan de stabilisatie en fijnafstemming van de circadiane klok. De nucleaire receptoren REV-ERBα en RORα, die de expressie van BMAL1 reguleren, spelen een belangrijke rol in dit proces. Terwijl RORα de transcriptie van BMAL1 activeert, heeft REV-ERBα een remmend effect. Deze antagonistische interactie creëert een andere feedbacklus die de temporele precisie en robuustheid van het circadiane systeem verhoogt.

Circadiane klok en metabolisme

De circadiane klokken zijn nauw verbonden met het metabolisme: enerzijds moduleert de klok ritmisch veel metabolische routes, en anderzijds beïnvloeden voedingsstoffen en metabolische stimuli de functie van de klok. Dit wordt bereikt door fijn afgestelde feedbacklussen waarin sommige positieve componenten van de klok andere activeren, die op hun beurt een negatief effect hebben op de oorspronkelijk activerende componenten. Zo zijn bijvoorbeeld het glucosemetabolisme, de lipidesynthese en de mitochondriale energieproductie onderhevig aan circadiane schommelingen. Tegelijkertijd werken metabolische signalen terug op de klok en moduleren ze de activiteit ervan. Een voorbeeld hiervan is het enzym SIRT1, waarvan de activiteit afhankelijk is van het NAD⁺-niveau in de cel. Aangezien dit niveau nauw verbonden is met de energietoestand van de cel, kan SIRT1 de activiteit van circadiane transcriptiefactoren beïnvloeden en zo de klok aanpassen aan de metabolische toestand. Een ander voorbeeld is AMP-geactiveerd proteïnekinase (AMPK), dat wordt geactiveerd bij een tekort aan energie en onder andere de stabiliteit van CRY-eiwitten kan beïnvloeden.

Deze bidirectionele koppeling creëert een fijn afgestemd systeem waarin de circadiane klok metabolische processen coördineert, terwijl voedingsstoffen, energiestatus en metabolische signalen de functie van de klok moduleren. Door deze nauwe interactie kan het organisme metabolische processen optimaal aanpassen aan het dag-nachtritme en veranderende omgevingsomstandigheden. “Aangezien glucose zoveel signaalwegen beïnvloedt, wordt aangenomen dat een glucosetekort de feedbacklussen van de circadiane klok zou kunnen verstoren en het vermogen om een constant ritme te handhaven zou kunnen belemmeren”, legt hoofdauteur Anita Szöke, doctoraatsstudent aan het Instituut voor Fysiologie van de Semmelweis Universiteit in Boedapest, Hongarije, uit. “We wilden onderzoeken hoe chronisch glucosetekort de moleculaire klok beïnvloedt en welke rol de klok speelt bij de aanpassing aan honger.”

Klokcomponenten hebben een grote invloed op de balans van het energiemetabolisme in cellen

Met behulp van de schimmel Neurospora crassa als model onderzocht het team eerst hoe een glucosetekort van 40 uur twee kerncomponenten van de klok beïnvloedde, het zogenaamde White Collar Complex (WCC), dat bestaat uit de twee subeenheden WC-1 en 2, en Frequency (FRQ). Ze ontdekten dat de concentraties van WC1 en 2 geleidelijk daalden tot respectievelijk ongeveer 15% en 20% van hun niveau vóór de hongersnood, terwijl de FRQ-concentraties onveranderd bleven, maar werden gewijzigd door de toevoeging van veel fosfaatgroepen (een proces dat hyperfosforylatie wordt genoemd). Normaal gesproken voorkomt hyperfosforylatie dat FRQ de WCC-activiteit remt, dus de auteurs speculeerden dat de hogere activiteit de afbraak van WCC zou kunnen versnellen. Toen ze de stroomafwaartse acties van WCC onderzochten, waren er weinig verschillen tussen de uitgehongerde cellen en de cellen die nog steeds in glucose groeiden. Alles bij elkaar genomen suggereert dit dat de circadiane klok tijdens glucose-uitputting krachtig bleef functioneren en de ritmische expressie van cellulaire genen aanstuurde.

Om het belang van de moleculaire klok bij de aanpassing aan glucosetekort verder te onderzoeken, gebruikte het team een Neurospora-stam zonder het WC-1-domein van WCC. Vervolgens vergeleken ze de genexpressieniveaus na glucosetekort met die van Neurospora met een intacte moleculaire klok. Ze ontdekten dat langdurige glucosetekort meer dan 20% van de coderende genen beïnvloedde en dat 1.377 van deze 9.758 coderende genen (13%) stam-specifieke veranderingen vertoonden, afhankelijk van het al dan niet aanwezig zijn van een moleculaire klok in de cellen. Dit suggereert dat de klok een belangrijk mechanisme is voor de reactie van de cellen op glucosetekort.

Vervolgens onderzocht het team of een functionerende klok belangrijk is voor het herstel van cellen na glucose-ontbering. Ze ontdekten dat de groei van Neurospora-cellen zonder een functionerende FRQ of WCC aanzienlijk langzamer was dan die van normale cellen na toevoeging van glucose, wat suggereert dat een functionerende klok de celregeneratie ondersteunt. Toen ze het glucosetransportsysteem van Neurospora onderzochten, ontdekten ze ook dat cellen zonder een functionerende klok niet in staat waren om de productie van een belangrijke glucosetransporter te stimuleren om meer voedingsstoffen naar de cel te transporteren. “De duidelijke verschillen in herstelgedrag tussen schimmelstammen met en zonder functionerende moleculaire klokken suggereren dat aanpassing aan veranderende beschikbaarheid van voedingsstoffen efficiënter is wanneer een circadiane klok in een cel functioneert”, aldus hoofdauteur Krisztina Káldi, universitair hoofddocent aan de Semmelweis Universiteit. Dit suggereert dat klokcomponenten een grote invloed hebben op het evenwicht in het energiemetabolisme binnen cellen en onderstreept het belang van de klok bij het reguleren van het metabolisme en de gezondheid.