Dwa uzupełniające się artykuły naukowe wskazują, że centralne i obwodowe zegary okołodobowe koordynują codzienną aktywność skóry i mięśni. Koordynacja między tymi dwoma zegarami (centralnym i obwodowym) zapewnia 50% funkcji okołodobowych tkanek, w tym procesów życiowo ważnych, takich jak cykl komórkowy, naprawa DNA, aktywność mitochondriów i metabolizm. Synchronizacja między zegarami centralnymi w mózgu a zegarami obwodowymi zapobiega przedwczesnemu starzeniu się mięśni i poprawia ich funkcjonowanie, co sugeruje nowe strategie zwalczania pogorszenia sprawności związanego z wiekiem poprzez modulowanie rytmu dobowego.

W jaki sposób zegary okołodobowe zapewniają utrzymanie optymalnej funkcjonalności mięśni i skóry

Odkryte w latach 70. XX wieku zegary okołodobowe są niezbędne do regulacji czasu biologicznego w większości komórek ludzkiego organizmu. Te wewnętrzne mechanizmy dostosowują procesy biologiczne do cyklu 24-godzinnego i umożliwiają synchronizację funkcji komórkowych z codziennymi wahaniami w otoczeniu. Rytmy dobowe, koordynowane przez centralny zegar w mózgu, który komunikuje się z zegarami w różnych tkankach obwodowych, wpływają na wiele funkcji – od naszych wzorców snu po zdolność do wykorzystania pokarmu.

Zespół kierowany przez dr. Salvadora Aznara Benitaha, badacza ICREA w IRB Barcelona, oraz dr Purę Muñoz-Cánoves, badaczki ICREA na Wydziale Medycyny i Nauk o Życiu Uniwersytetu Pompeu Fabra (UPF), opisał, w jaki sposób synchronizacja między zegarem centralnym a zegarami obwodowymi w mięśniach i skórze odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu prawidłowego funkcjonowania tych tkanek, a także w zapobieganiu procesom degeneracyjnym związanym ze starzeniem się. Wyniki tych badań zostały opublikowane w dwóch artykułach w renomowanych czasopismach. Tak więc badanie dotyczące synchronizacji między zegarem centralnym a obwodowym ukazało się w czasopiśmie „Science”, natomiast praca poświęcona koordynacji między zegarem centralnym a zegarem obwodowym skóry została opublikowana w czasopiśmie „Cell Stem Cell”. Oba badania podkreślają wspólne mechanizmy, które wskazują na znaczenie tej koordynacji w utrzymaniu optymalnej funkcjonalności mięśni i skóry.

Praca opisuje również niezwykły stopień autonomii zegarów obwodowych, które potrafią utrzymywać cykle 24-godzinne i kontrolować około 15% funkcji dobowych nawet przy braku zegara centralnego. Badanie podkreśla, że do utrzymania optymalnego funkcjonowania tkanek, takich jak mięśnie i skóra, oraz zapobiegania ich pogorszeniu i starzeniu się wymagana jest minimalna interakcja między zaledwie dwoma zegarami tkankowymi (jednym centralnym i jednym obwodowym). Kolejnym krokiem jest identyfikacja czynników sygnałowych biorących udział w tej interakcji z myślą o potencjalnych zastosowaniach terapeutycznych.

Opracowywanie terapii przeciwdziałających starzeniu się mięśni i poprawiających sprawność fizyczną w podeszłym wieku

Opublikowane w czasopiśmie „Science” badanie dotyczące komunikacji między mózgiem a mięśniami potwierdza, że koordynacja między zegarem centralnym a obwodowym ma kluczowe znaczenie dla utrzymania codziennej funkcji mięśni oraz zapobiegania przedwczesnemu starzeniu się tych tkanek. Przywrócenie rytmu dobowego zmniejsza utratę masy i siły mięśniowej, a tym samym poprawia pogorszoną funkcję motoryczną w eksperymentalnych modelach myszy.

Wyniki badań wykazały również, że żywienie w ograniczonym przedziale czasowym (TRF), polegające na spożywaniu posiłków wyłącznie w aktywnej fazie dnia, może częściowo zastąpić zegar centralny i poprawić autonomię zegara mięśniowego. Co ważniejsze, przywrócenie rytmu dobowego poprzez TRF może ograniczyć zanik mięśni, pogorszenie funkcji metabolicznych i motorycznych oraz utratę siły mięśniowej u starszych myszy.

Odkrycia te mają istotne znaczenie dla opracowywania terapii przeciwdziałających starzeniu się mięśni oraz poprawiających sprawność fizyczną w podeszłym wieku. Dr Arun Kumar i Mireia Vaca Dempere, oboje z UPF, są pierwszymi autorami tego badania, w którym swój wkład wnieśli również dr Eusebio Perdiguero i Antonio Serrano, wcześniej związani z UPF, a obecnie pracujący w Altos Labs.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Cell Stem Cell” zespół wykazał, że zegar okołodobowy skóry odgrywa kluczową rolę w koordynacji codziennej fizjologii tej tkanki. Poprzez integrację, a czasem modyfikację sygnałów z mózgu, koordynacja ta zapewnia prawidłowe funkcjonowanie skóry.

Zaskakującym odkryciem było to, że w przypadku braku zegara obwodowego centralny zegar biologiczny utrzymuje rytm dobowy skóry, ale funkcjonuje odwrotnie niż normalnie (tj. według odwrotnego harmonogramu). Na przykład naukowcy odkryli, że gdyby replikacja DNA była kontrolowana wyłącznie przez zegar centralny, zachodziłaby w ciągu dnia, kiedy skóra jest narażona na promieniowanie ultrafioletowe, co zwiększyłoby ryzyko kumulacji mutacji. Zjawisko to podkreśla znaczenie zegara obwodowego, który nie tylko odbiera sygnały z zegara centralnego – koordynującego rytmy całego organizmu – ale także dostosowuje te sygnały do konkretnych potrzeb tkanki, w której się znajduje (w przypadku komórek macierzystych skóry replikacja DNA osiąga szczyt, gdy są one narażone na działanie promieniowania ultrafioletowego w ciągu dnia).