Bunky s fungujúcimi molekulárnymi hodinami sa lepšie prispôsobujú zmenám v dodávke glukózy a rýchlejšie sa zotavujú z dlhodobej podvýživy, ako ukazuje štúdia uverejnená v časopise eLife. Tento objav pomáha vysvetliť, prečo zmeny v cirkadiánnom rytme tela, ako je nočná práca a jet lag, môžu zvýšiť riziko metabolických ochorení, ako je cukrovka.

Jemné ladenie cirkadiánnych hodín

Circadiánne hodiny sú endogénny systém merania času s periódou približne 24 hodín, ktorý organizuje množstvo fyziologických procesov, najmä metabolizmus. Na molekulárnej úrovni je založený na úzko prepojených spätných väzbách transkripcie a translácie. V centre tejto regulácie sú transkripčné faktory gén CLOCK a gén BMAL1. Tieto proteíny tvoria heterodimérny komplex, ktorý sa viaže na špecifické sekvencie DNA a aktivuje transkripciu rôznych cieľových génov. Medzi tieto cieľové gény patria gény rodiny period a cryptochrome, konkrétne gén PER a gén CRY.

Po transkripcii sa proteíny PER a CRY syntetizujú v cytoplazme, kde sa spočiatku akumulujú. V priebehu niekoľkých hodín tvoria proteínové komplexy a potom sa vracajú do bunky. Tam inhibujú aktivitu komplexu CLOCK-BMAL1, čím potláčajú expresiu svojich vlastných génov. Táto negatívna spätná väzba spôsobuje postupné znižovanie produkcie proteínov PER a CRY. Akonáhle sú existujúce proteíny degradované bunkovými degradačnými procesmi, inhibícia komplexu CLOCK-BMAL1 je odstránená a cyklus začína znova. Časové oneskorenie medzi aktiváciou, akumuláciou a inhibíciou vytvára samoudržateľný rytmus približne 24 hodín.

Okrem tejto centrálnej slučky existujú ďalšie regulačné mechanizmy, ktoré prispievajú k stabilizácii a jemnej regulácii cirkadiánnych hodín. Dôležitú úlohu v tomto procese zohrávajú jadrové receptory REV-ERBα a RORα, ktoré regulujú expresiu BMAL1. Kým RORα aktivuje transkripciu BMAL1, REV-ERBα má represívny účinok. Táto antagonistická interakcia vytvára ďalšiu spätnú väzbu, ktorá zvyšuje časovú presnosť a robustnosť cirkadiánneho systému.

Circadiánne hodiny a metabolizmus

Cirkadiánne hodiny sú úzko prepojené s metabolizmom: na jednej strane hodiny rytmicky modulujú mnoho metabolických dráh a na druhej strane živiny a metabolické stimuly ovplyvňujú funkciu hodín. To sa dosahuje jemne vyladenými spätnoväzbovými slučkami, v ktorých niektoré pozitívne zložky hodín aktivujú iné, ktoré zase majú negatívny vplyv na pôvodne aktivujúce zložky. Napríklad metabolizmus glukózy, syntéza lipidov a produkcia energie v mitochondriách podliehajú cirkadiánnym výkyvom. Zároveň metabolické signály pôsobia späť na hodiny a modulujú ich činnosť. Jedným z príkladov je enzým SIRT1, ktorého činnosť závisí od bunkovej hladiny NAD⁺. Keďže táto hladina úzko súvisí s energetickým stavom bunky, SIRT1 môže ovplyvňovať činnosť cirkadiánnych transkripčných faktorov a tým prispôsobovať hodiny metabolickému stavu. Ďalším príkladom je AMP-aktivovaná proteínkináza (AMPK), ktorá sa aktivuje pri nedostatku energie a môže okrem iného ovplyvňovať stabilitu proteínov CRY.

Toto obojsmerné prepojenie vytvára jemne vyladený systém, v ktorom cirkadiánne hodiny koordinujú metabolické procesy, zatiaľ čo živiny, energetický stav a metabolické signály modulujú funkciu hodín. Táto úzka interakcia umožňuje organizmu optimálne prispôsobiť metabolické procesy dennému a nočnému rytmu a meniacim sa podmienkam prostredia. „Keďže glukóza ovplyvňuje toľko signálnych dráh, predpokladá sa, že nedostatok glukózy by mohol narušiť spätnoväzobné slučky cirkadiánnych hodín a brániť ich schopnosti udržiavať konštantný rytmus,“ vysvetľuje hlavná autorka Anita Szöke, doktorandka na Inštitúte fyziológie Semmelweisovej univerzity v Budapešti v Maďarsku. „Chceli sme preskúmať, ako chronický nedostatok glukózy ovplyvňuje molekulárne hodiny a akú úlohu hrajú hodiny pri prispôsobovaní sa hladu.“

Súčiastky hodín majú veľký vplyv na rovnováhu energetického metabolizmu v bunkách

S využitím huby Neurospora crassa ako modelu tím najskôr preskúmal, ako 40-hodinový nedostatok glukózy ovplyvnil dve základné zložky hodín, takzvaný White Collar Complex (WCC), ktorý pozostáva z dvoch podjednotiek WC-1 a 2, a Frequency (FRQ). Zistili, že koncentrácie WC1 a 2 postupne klesli na približne 15 % a 20 % ich úrovne pred hladovaním, zatiaľ čo koncentrácie FRQ zostali nezmenené, ale boli zmenené pridaním mnohých fosfátových skupín (proces nazývaný hyperfosforylácia). Za normálnych okolností hyperfosforylácia bráni FRQ v inhibícii aktivity WCC, takže autori predpokladali, že vyššia aktivita by mohla urýchliť rozpad WCC. Keď skúmali následné účinky WCC, zistili len málo rozdielov medzi hladujúcimi bunkami a tými, ktoré stále rástli v glukóze. V súhrne to naznačuje, že cirkadiánne hodiny pokračovali v robustnej funkcii aj počas hladovania glukózy a riadili rytmickú expresiu bunkových génov.

Aby ďalej preskúmali význam molekulárnych hodín pri adaptácii na nedostatok glukózy, tím použil kmeň Neurospora bez domény WC-1 WCC. Potom porovnali úrovne génovej expresie po nedostatku glukózy s úrovňami Neurospora obsahujúcej intaktné molekulárne hodiny. Zistili, že dlhodobý nedostatok glukózy ovplyvnil viac ako 20 % kódujúcich génov a že 1 377 z týchto 9 758 kódujúcich génov (13 %) vykazovalo zmeny špecifické pre kmeň v závislosti od toho, či bunky mali molekulárne hodiny alebo nie. To naznačuje, že hodiny sú dôležitým mechanizmom pre reakciu buniek na nedostatok glukózy.

Ďalej tím skúmal, či fungujúce hodiny sú dôležité pre regeneráciu buniek po deprivácii glukózy. Zistili, že rast buniek Neurospora bez fungujúcich FRQ alebo WCC bol po pridaní glukózy výrazne pomalší ako rast normálnych buniek, čo naznačuje, že fungujúce hodiny podporujú regeneráciu buniek. Keď skúmali systém transportu glukózy v Neurospora, zistili tiež, že bunky bez fungujúcich hodín neboli schopné zvýšiť produkciu dôležitého transportéra glukózy, ktorý transportuje viac živín do bunky. „Jasné rozdiely v správaní pri regenerácii medzi kmeňmi húb s fungujúcimi molekulárnymi hodinami a bez nich naznačujú, že prispôsobenie sa meniacej sa dostupnosti živín je efektívnejšie, keď v bunke fungujú cirkadiánne hodiny,“ vysvetlila hlavná autorka Krisztina Káldi, docentka na Semmelweisovej univerzite. To naznačuje, že komponenty hodín majú významný vplyv na vyrovnávanie energetického metabolizmu v bunkách a podčiarkuje dôležitosť hodín pri regulácii metabolizmu a zdravia.