Celler med en fungerande molekylär klocka har lättare att anpassa sig till förändringar i glukostillförseln och återhämtar sig snabbare efter långvarig undernäring, vilket framgår av en studie publicerad i eLife. Denna upptäckt hjälper till att förklara varför förändringar i kroppens dygnsrytm – såsom nattarbete och jetlag – kan öka risken för metaboliska sjukdomar som diabetes.

Finjustering av dygnsrytmen

Dygnsrytmen är ett endogent tidssystem med en periodlängd på cirka 24 timmar som organiserar ett flertal fysiologiska processer, särskilt ämnesomsättningen. På molekylär nivå baseras den på nära sammankopplade återkopplingsloopar mellan transkription och translation. I centrum för denna reglering finns transkriptionsfaktorerna CLOCK-genen och BMAL1-genen. Dessa proteiner bildar ett heterodimerkomplex som binder till specifika DNA-sekvenser och aktiverar transkriptionen av olika målgener. Dessa målgener inkluderar generna i period- och kryptokromfamiljen, nämligen PER-genen och CRY-genen.

Efter transkriptionen syntetiseras PER- och CRY-proteinerna i cytoplasman, där de initialt ackumuleras. Under loppet av flera timmar bildar de proteinkomplex och återvänder sedan till cellkärnan. Där hämmar de aktiviteten hos CLOCK-BMAL1-komplexet och undertrycker därmed sin egen genuttryck. Denna negativa återkoppling gör att produktionen av PER- och CRY-proteiner gradvis minskar. När de befintliga proteinerna har brutits ned genom cellulära nedbrytningsprocesser avlägsnas hämningen av CLOCK-BMAL1-komplexet och cykeln börjar om igen. Tidsfördröjningen mellan aktivering, ackumulering och hämning skapar en självupprätthållande rytm på cirka 24 timmar.

Utöver denna centrala slinga finns det ytterligare regleringsmekanismer som bidrar till stabiliseringen och finjusteringen av den cirkadiska klockan. Kärnreceptorerna REV-ERBα och RORα, som reglerar uttrycket av BMAL1, spelar en viktig roll i denna process. Medan RORα aktiverar transkriptionen av BMAL1, har REV-ERBα en hämmande effekt. Denna antagonistiska interaktion skapar en ytterligare återkopplingsloop som ökar den cirkadiska systemets tidsmässiga precision och robusthet.

Dygnsrytmen och ämnesomsättningen

Dygnsrytmen är nära kopplad till ämnesomsättningen: å ena sidan modulerar klockan rytmiskt många metaboliska vägar, å andra sidan påverkar näringsämnen och metaboliska stimuli klockans funktion. Detta uppnås genom finjusterade återkopplingsloopar där vissa positiva komponenter i klockan aktiverar andra, som i sin tur har en negativ effekt på de ursprungligen aktiverande komponenterna. Till exempel är glukosmetabolismen, lipidsyntesen och mitokondriell energiproduktion föremål för dygnsrytmiska fluktuationer. Samtidigt påverkar metaboliska signaler klockan och reglerar dess aktivitet. Ett exempel på detta är enzymet SIRT1, vars aktivitet beror på cellens NAD⁺-nivå. Eftersom denna nivå är nära kopplad till cellens energitillstånd kan SIRT1 påverka aktiviteten hos cirkadiska transkriptionsfaktorer och därmed anpassa klockan till det metaboliska tillståndet. Ett annat exempel är AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK), som aktiveras när det råder energibrist och bland annat kan påverka stabiliteten hos CRY-proteiner.

Denna dubbelriktade koppling skapar ett finjusterat system där den cirkadiska klockan koordinerar metaboliska processer, medan näringsämnen, energistatus och metaboliska signaler modulerar klockans funktion. Denna nära interaktion gör det möjligt för organismen att optimalt anpassa metaboliska processer till dygnsrytmen och förändrade miljöförhållanden. ”Eftersom glukos påverkar så många signalvägar antas det att en glukosbrist kan försämra cirkadiska klockans återkopplingsloopar och hindra dess förmåga att upprätthålla en konstant rytm”, förklarar huvudförfattaren Anita Szöke, doktorand vid Institutet för fysiologi vid Semmelweis-universitetet i Budapest, Ungern. ”Vi ville undersöka hur kronisk glukosbrist påverkar den molekylära klockan och vilken roll klockan spelar för anpassningen till hunger.”

Klockkomponenterna har stor inverkan på balansen i cellernas energimetabolism

Med hjälp av svampen Neurospora crassa som modell undersökte teamet först hur en 40-timmars glukosbrist påverkade två centrala komponenter i klockan, det så kallade White Collar Complex (WCC), som består av de två underenheterna WC-1 och 2, och Frequency (FRQ). De fann att koncentrationerna av WC1 och 2 gradvis minskade till cirka 15 % respektive 20 % av nivåerna före svälten, medan FRQ-koncentrationerna förblev oförändrade men förändrades genom tillägg av många fosfatgrupper (en process som kallas hyperfosforylering). Normalt förhindrar hyperfosforylering FRQ från att hämma WCC-aktiviteten, så författarna spekulerade i att den högre aktiviteten kunde påskynda nedbrytningen av WCC. När de undersökte WCC:s nedströmsverkan fanns det få skillnader mellan de svältande cellerna och de som fortfarande växte i glukos. Sammantaget tyder detta på att den cirkadiska klockan fortsatte att fungera robust under glukosbrist och drev den rytmiska uttrycket av cellulära gener.

För att ytterligare undersöka den molekylära klockans betydelse för anpassningen till glukosbrist använde teamet en Neurospora-stam som saknade WC-1-domänen i WCC. De jämförde sedan genuttrycksnivåerna efter glukosbrist med dem i Neurospora som innehöll en intakt molekylär klocka. De fann att långvarig glukosbrist påverkade mer än 20 % av de kodande generna och att 1 377 av dessa 9 758 kodande gener (13 %) uppvisade stamsspecifika förändringar beroende på om cellerna hade en molekylär klocka eller inte. Detta tyder på att klockan är en viktig mekanism för cellernas respons på glukosbrist.

Därefter undersökte teamet om en fungerande klocka är viktig för cellernas återhämtning efter glukosbrist. De fann att tillväxten av Neurospora-celler utan en fungerande FRQ eller WCC var betydligt långsammare än hos normala celler efter tillsats av glukos, vilket tyder på att en fungerande klocka stöder cellregenerering. När de undersökte glukostransportsystemet hos Neurospora fann de också att celler utan en fungerande klocka inte kunde öka produktionen av en viktig glukostransportör för att transportera mer näringsämnen in i cellen. ”De tydliga skillnaderna i återhämtningsbeteende mellan svampstammar med och utan fungerande molekylära klockor tyder på att anpassningen till förändrad näringstillgång är effektivare när en dygnsrytmklocka fungerar i en cell”, förklarade huvudförfattaren Krisztina Káldi, docent vid Semmelweis-universitetet. Detta tyder på att klockkomponenterna har en stor inverkan på balansen i cellernas energimetabolism och understryker klockans betydelse för regleringen av ämnesomsättningen och hälsan.