Kombinationen av matematisk modellering och experiment identifierar skillnaden i det molekylära urverket hos master- och slave-klockneuroner i Drosophila. Detta löser det långvariga mysteriet med de molekylära mekanismer som är ansvariga för den cirkadiska (~ 24 timmar) klockans paradoxala egenskaper av robusthet (starka rytmer) och plasticitet (flexibel anpassning).

Hur vår dygnsrytm regleras

Alla djur på jorden, från små bananflugor till människor, upprätthåller sin dygnsrytm med hjälp av sin inre cirkadiska klocka. Den cirkadiska klockan gör det möjligt för organismer att genomgå rytmiska förändringar i sitt beteende och sin fysiologi baserat på en 24-timmars cirkadisk cykel. Vår egen biologiska klocka instruerar till exempel vår hjärna att frigöra melatonin, ett sömnfrämjande hormon, på natten. Upptäckten av den molekylära mekanismen bakom den cirkadiska klockan belönades med Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2017. Enligt vår nuvarande kunskap finns det ingen central klocka som är ansvarig för våra dygnscykler. Istället fungerar denna mekanism i ett hierarkiskt nätverk där det finns en ”huvudklocka” och ”slavoscillatorer”.

Huvudklockan tar emot olika insignaler från omgivningen, t.ex. ljus. Huvudklockan styr sedan slavoscillatorn, som reglerar olika utgångar som sömn, näring och ämnesomsättning. Trots pacemakerneuronernas olika funktioner är det känt att de delar gemensamma molekylära mekanismer som är välbevarade i alla livsformer. Till exempel har sammankopplade system av flera transkriptionella-translationella återkopplingsslingor (TTFL) som består av nukleära klockproteiner studerats i detalj hos bananflugor.

Huvudklockan och slavklockan fungerar via olika molekylära mekanismer

Det finns dock fortfarande mycket att lära om vår egen biologiska klocka. Den hierarkiskt organiserade karaktären hos master- och slave clock-neuroner leder till det utbredda antagandet att de har identiska molekylära urverk. Samtidigt väcker de olika roller som de spelar i regleringen av kroppsrytmen frågan om de kan fungera med olika molekylära urverk. Under ledning av Prof. KIM Jae Kyoung och KIM Eun Young har forskare vid Institute for Basic Science (IBS) och Ajou University använt en kombination av matematiska och experimentella metoder med hjälp av bananflugor för att besvara denna fråga. Teamet fann att huvudklockan och slavklockan fungerar via olika molekylära mekanismer.

Ett dygnsrytmprotein som kallas PER produceras i både master- och slavneuronerna hos bananflugor och bryts ned i olika takt beroende på tiden på dygnet. Tidigare hade teamet funnit att masterklockneuroner (_sLNvs) och slavklockneuroner (_DN1ps) i vildtyp och Clk-Δ-mutanter av Drosophila har olika PER-profiler. Detta tyder på att det kan finnas en skillnad i de molekylära klockmekanismerna mellan master- och slave clock-neuroner.

På grund av komplexiteten i det molekylära urverket var det dock svårt att identifiera orsaken till dessa skillnader. Teamet utvecklade därför en matematisk modell som beskriver det molekylära urverket för master- och slavklockorna. Alla möjliga molekylära skillnader mellan master- och slavklockans neuroner undersöktes sedan systematiskt med hjälp av datorsimuleringar. Modellen förutspådde att PER produceras mer effektivt i masterklockan och sedan bryts ned snabbare än i slavklockans nervceller. Denna förutsägelse bekräftades därefter genom uppföljande experiment på djur.

När dygnsklockan förlorar sin robusthet och flexibilitet kan sömnstörningar uppstå

Varför har då masterklockans neuroner så olika molekylära egenskaper jämfört med slavklockans neuroner? För att besvara denna fråga kombinerade forskargruppen återigen matematiska modellsimuleringar med experiment. De fann att den snabbare syntesen av PER i masterklockneuroner gör att de kan generera synkroniserade rytmer med hög amplitud. Generering av en sådan stark rytm med hög amplitud är avgörande för att skicka tydliga signaler till slavklockneuronerna. Sådana starka rytmer är dock i allmänhet ogynnsamma när det gäller att anpassa sig till miljöförändringar. Det kan handla om naturliga orsaker som olika dagsljustimmar på sommaren och vintern, men också om mer extrema artificiella fall som jetlag efter internationella resor.

Tack vare klockneuronernas speciella egenskaper kan de genomgå fasförskjutning när den normala ljus-mörker-cykeln störs, vilket gör att PER-nivåerna sjunker dramatiskt. Klockneuronerna kan sedan enkelt anpassa sig till den nya dygnscykeln. Plasticiteten i vår huvudklocka förklarar varför vi snabbt kan anpassa oss till den nya tidszonen efter internationella flygningar efter bara en kort jetlag-fas. Förhoppningen är att resultaten av denna studie ska få kliniska konsekvenser för behandlingen av olika störningar som påverkar vår dygnsrytm i framtiden. Den ledande forskaren Kim förklarar: ”När dygnsklockan förlorar sin robusthet och flexibilitet kan sömnstörningar uppstå. Eftersom denna studie identifierar den molekylära mekanism som genererar den cirkadiska klockans robusthet och flexibilitet, kan den underlätta identifieringen av orsaken till och behandlingsstrategin för cirkadiska sömnstörningar.”