Kombinácia matematického modelovania a experimentov identifikuje rozdiel v molekulárnom hodinovom stroji hlavných a vedľajších hodinových neurónov u drozofily. Tým sa vyriešila dlhoročná záhada molekulárnych mechanizmov zodpovedných za paradoxné vlastnosti cirkadiánnych (~24-hodinových) hodín, ktorými sú robustnosť (silné rytmy) a plasticita (pružná adaptácia).

Ako sa reguluje náš denný rytmus

Všetky živočíchy na Zemi, od drobných ovocných mušiek až po človeka, udržiavajú svoj denný rytmus pomocou vnútorných cirkadiánnych hodín. Cirkadiánne hodiny umožňujú organizmom podstupovať rytmické zmeny v ich správaní a fyziológii na základe 24-hodinového cirkadiánneho cyklu. Napríklad naše vlastné biologické hodiny dávajú nášmu mozgu pokyn, aby v noci uvoľňoval melatonín, hormón podporujúci spánok. Za objav molekulárneho mechanizmu cirkadiánnych hodín bola v roku 2017 udelená Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu. Podľa našich súčasných poznatkov neexistujú centrálne hodiny zodpovedné za naše cirkadiánne cykly. Namiesto toho tento mechanizmus funguje v hierarchickej sieti, v ktorej sú „hlavné hodiny“ a „podriadené oscilátory“.

Hlavné hodiny prijímajú rôzne vstupné signály z prostredia, napríklad svetlo. Hlavné hodiny potom riadia podriadené oscilátory, ktoré regulujú rôzne výstupy, ako napríklad spánok, výživu a metabolizmus. Napriek rôznym funkciám pacemakerových neurónov je známe, že majú spoločné molekulárne mechanizmy, ktoré sú dobre zachované u všetkých foriem života. Napríklad u ovocných mušiek sa podrobne skúmali prepojené systémy viacerých transkripčno-translačných spätnoväzbových slučiek (TTFL) pozostávajúcich z proteínov jadrových hodín.

Funkcia hlavných hodín a podriadených hodín prostredníctvom rôznych molekulárnych mechanizmov

O našich vlastných biologických hodinách sa však stále máme čo učiť. Hierarchicky usporiadaná povaha neurónov hlavných a podriadených hodín vedie k rozšírenému predpokladu, že majú identické molekulárne hodiny. Rozdielne úlohy, ktoré zohrávajú pri regulácii telesných rytmov, zároveň vyvolávajú otázku, či môžu fungovať s rôznymi molekulárnymi hodinovými strojčekmi. Vedci z Ústavu pre základné vedy (IBS) a Univerzity v Ajou pod vedením profesorov KIM Jae Kyoung a KIM Eun Young použili na zodpovedanie tejto otázky kombináciu matematických a experimentálnych prístupov s využitím ovocných mušiek. Tím zistil, že hlavné hodiny a podriadené hodiny fungujú prostredníctvom rôznych molekulárnych mechanizmov.

Proteín cirkadiánneho rytmu nazývaný PER sa produkuje v hlavných aj vedľajších neurónoch ovocných mušiek a degraduje sa rôznou rýchlosťou v závislosti od dennej doby. Predtým tím zistil, že hlavné hodinové neuróny (_sLNvs) a podriadené hodinové neuróny (_DN1ps) u divokého typu a mutantov Clk-Δ drozofily majú rôzne profily PER. To naznačovalo, že medzi hlavnými a podriadenými hodinovými neurónmi môže byť rozdiel v mechanizmoch molekulárnych hodín.

Vzhľadom na zložitosť molekulárneho hodinového mechanizmu však bolo ťažké určiť príčinu týchto rozdielov. Tím preto vyvinul matematický model opisujúci molekulárny hodinový strojček hlavných a podriadených hodín. Všetky možné molekulárne rozdiely medzi neurónmi hlavných a podriadených hodín sa potom systematicky skúmali pomocou počítačových simulácií. Model predpovedal, že PER sa v hlavných hodinách vytvára efektívnejšie a potom sa rýchlejšie odbúrava ako v neurónoch podriadených hodín. Táto predpoveď sa následne potvrdila následnými experimentmi na zvieratách.

Keď cirkadiánne hodiny strácajú svoju robustnosť a flexibilitu, môžu sa vyskytnúť poruchy spánku

Prečo teda majú neuróny hlavných hodín také odlišné molekulárne vlastnosti od neurónov podriadených hodín? Na zodpovedanie tejto otázky výskumný tím opäť skombinoval simulácie matematického modelu s experimentmi. Zistili, že rýchlejšia syntéza PER v hlavných hodinových neurónoch im umožňuje generovať synchronizované rytmy s vysokou amplitúdou. Generovanie takéhoto silného rytmu s vysokou amplitúdou je kľúčové pre vysielanie jasných signálov podriadeným hodinovým neurónom. Takéto silné rytmy sú však vo všeobecnosti nepriaznivé, pokiaľ ide o prispôsobovanie sa zmenám prostredia. Patria k nim prirodzené príčiny, ako je rozdielny čas denného svetla v lete a v zime, ako aj extrémnejšie umelé prípady, napríklad jet lag po medzinárodnom cestovaní.

Vďaka špeciálnej vlastnosti hlavných hodinových neurónov môžu pri narušení normálneho cyklu svetla a tmy podliehať fázovému rozptylu, čo spôsobuje dramatický pokles hladiny PER. Neuróny hlavných hodín sa potom môžu ľahko prispôsobiť novému dennému cyklu. Plasticita našich hlavných hodín vysvetľuje, prečo sa po medzinárodných letoch dokážeme rýchlo prispôsobiť novému časovému pásmu už po krátkej fáze jet lagu. Dúfame, že výsledky tejto štúdie budú mať v budúcnosti klinický význam pre liečbu rôznych porúch, ktoré ovplyvňujú náš cirkadiánny rytmus. Vedúci výskumník Kim vysvetlil: „Keď cirkadiánne hodiny stratia svoju robustnosť a flexibilitu, môžu sa objaviť cirkadiánne poruchy spánku. Keďže táto štúdia identifikuje molekulárny mechanizmus, ktorý vytvára robustnosť a flexibilitu cirkadiánnych hodín, môže uľahčiť identifikáciu príčiny a stratégie liečby cirkadiánnych porúch spánku.“