Cirkadián ritmus - Circadian rhythm

Cirkadián ritmus
Biológiai óra human.svg
Az emberi cirkadián biológiai óra jellemzői
Kiejtés
Frekvencia Nagyjából 24 óránként ismétlődik

A cirkadián ritmus ( / s ər k d i ə n / ), vagy a cirkadián ciklust , egy természetes, a belső folyamat, amely szabályozza az alvás-ébrenlét ciklus ismétlődik nagyjából minden 24 órában. Bármilyen folyamatra vonatkozhat, amely egy szervezeten belül (azaz endogén ) ered és reagál a környezetre (a környezet bevonja ). Ezeket a 24 órás ritmusokat cirkadián óra vezérli , és széles körben megfigyelték őket növényekben , állatokban , gombákban és cianobaktériumokban .

A cirkadián kifejezés a latin circa szóból származik , jelentése "körül" (vagy "megközelítőleg"), és diēm , azaz "nap". A 24 órás ciklusú folyamatokat általában napi ritmusoknak nevezik ; a napi ritmusokat nem szabad cirkadián ritmusoknak nevezni, hacsak nem igazolhatóak endogénnek és nem környezeti jellegűnek.

Bár a cirkadián ritmusok endogének, a helyi környezethez igazítják azokat a külső jelek, amelyeket zeitgebersnek neveznek (németül "időadók"), amelyek magukban foglalják a fény-, hőmérséklet- és redoxciklusokat . Klinikai körülmények között az ember kóros cirkadián ritmusát cirkadián ritmusú alvászavarnak nevezik .

Történelem

Bár van több megemlíti a „természetes test ciklus” Kelet és indián kultúrák, a legkorábbi feljegyzett Western beszámolója cirkadián folyamat dátumot a 4. században, amikor Androsthenes , a hajó kapitánya alatt szolgáló Nagy Sándor , leírt napi levél mozgások a tamarindfa . A cirkadián vagy napi folyamat megfigyelését emberekben a 13. századi kínai orvosi szövegek említik , beleértve a Déli és Éjféli Kézikönyvet és a Mnemonikus segédeszközt az Acu-pontok kiválasztásában a Napi ciklus szerint hónapban és az évszakban .

1729-ben Jean-Jacques d'Ortous de Mairan francia tudós elvégezte az első kísérletet, amelynek célja az endogén óra megkülönböztetése a napi ingerekre adott válaszoktól. Megjegyezte, hogy a 24 órás minták a Mimosa pudica növény leveleinek mozgásában továbbra is fennállnak, még akkor is, ha a növényeket állandó sötétségben tartják.

1896 -ban Patrick és Gilbert megfigyelte, hogy az alváshiány hosszú ideje alatt az álmosság körülbelül 24 órával növekszik és csökken. 1918-ban JS Szymanski megmutatta, hogy az állatok képesek fenntartani a 24 órás aktivitási mintákat olyan külső jelek hiányában, mint a fény és a hőmérsékletváltozás.

A 20. század elején a cirkadián ritmusokat figyelték meg a méhek ritmikus etetési idejében. Auguste Forel , Ingeborg Beling és Oskar Wahl számos kísérletet végeztek annak megállapítására, hogy ez a ritmus az endogén órának tulajdonítható -e. A cirkadián ritmus létezését 1935 -ben önállóan fedezte fel a gyümölcslegyekben két német zoológus, Hans Kalmus és Erwin Bünning .

1954 -ben egy fontos kísérlet, amelyet Colin Pittendrigh jelentett be, bebizonyította, hogy az eclosion (a báb felnőtté válásának folyamata ) a Drosophila pseudoobscura -ban cirkadián viselkedés. Bebizonyította, hogy míg a hőmérséklet létfontosságú szerepet játszik az eclosion ritmusában, az eclosion időszaka késik, de nem áll le, amikor a hőmérséklet csökken.

A cirkadián kifejezést Franz Halberg alkotta meg 1959 -ben. Halberg eredeti meghatározása szerint:

A "cirkadián" kifejezés cirka (kb.) És meghal (nap) szóból származik ; ez arra utalhat, hogy bizonyos élettani időszakok közel 24 óráig tartanak, ha nem éppen ilyen hosszúak. Ebben az esetben a "cirkadián" minden "24 órás" ritmusra alkalmazható, függetlenül attól, hogy azok periódusai külön-külön vagy átlagosan néhány perccel vagy órával eltérnek-e a 24 órától, hosszabbak vagy rövidebbek.

1977 -ben a Nemzetközi Kronobiológiai Társaság Nemzetközi Nómenklatúra Bizottsága hivatalosan elfogadta a definíciót:

Cirkadián: biológiai variációkhoz vagy ritmusokhoz kapcsolódik, 1 ciklus gyakorisággal 24 ± 4 óra alatt; körülbelül (kb.) és meghal (nap vagy 24 óra). Megjegyzés: a kifejezés körülbelül 24 órás ciklushosszúságú ritmusokat ír le, függetlenül attól, hogy frekvenciával szinkronizálva vannak-e (elfogadható), vagy dezinkronizáltak vagy szabadon futnak a helyi környezeti időskálától, a 24 órától kissé, de következetesen eltérő periódusokkal.

Ron Konopka és Seymour Benzer 1971 -ben azonosították az első óra mutációt a Drosophila -ban, és a gént " periódus " ( per ) génnek nevezték el, amely a viselkedés ritmusának első felfedezett genetikai meghatározója. per gént izoláltuk 1984 két kutatócsoportok. Konopka, Jeffrey Hall, Michael Roshbash és csapata kimutatta, hogy egy helyre a központja a cirkadián ritmus, és hogy a veszteség egy megáll cirkadián aktivitás. Ugyanakkor Michael W. Young csapata a per hasonló hatásairól számolt be , és hogy a gén lefedi a 7,1 kilobázis (kb) intervallumot az X kromoszómán, és 4,5 kb hosszúságú poli (A)+ RNS-t kódol. A továbbiakban felfedezték a Drosophila cirkadián rendszer legfontosabb génjeit és neuronjait , amiért Hall, Rosbash és Young 2017 -ben megkapta az élettani vagy orvostudományi Nobel -díjat .

Joseph Takahashi 1994 -ben fedezte fel az első emlősök cirkadián óramutációját ( clockΔ19 ) egerek segítségével. A legújabb tanulmányok azonban azt mutatják, hogy az óra törlése nem vezet viselkedési fenotípushoz (az állatok még mindig normális cirkadián ritmussal rendelkeznek), ami megkérdőjelezi annak fontosságát a ritmus generálásában .

Az első emberi óramutációt Chris Jones azonosította egy kiterjedt Utah-családban, és Ying-Hui Fu és Louis Ptacek genetikailag jellemezte. Az érintett személyek extrém " reggeli lárvák ", 4 órás előrehaladott alvással és más ritmusokkal. A családi előrehaladott alvási fázis szindróma ezen formáját egyetlen aminosavváltozás , az S662➔G okozza a humán PER2 fehérjében.

Kritériumok

Ahhoz, hogy egy biológiai ritmusnak cirkadiánnak nevezzük, meg kell felelnie ennek a három általános kritériumnak:

  1. A ritmusnak van egy endogén szabad futási periódusa, amely körülbelül 24 órán át tart. A ritmus állandó körülmények között (azaz állandó sötétségben) tart fenn, körülbelül 24 órán keresztül. A ritmus időszakát állandó körülmények között szabadon futó periódusnak nevezzük, és görög τ (tau) betűvel jelölik. Ennek a kritériumnak az az oka, hogy meg kell különböztetni a cirkadián ritmusokat az egyszerű válaszoktól a napi külső jelekig. Egy ritmus nem mondható endogénnek, hacsak nem tesztelték és nem áll fenn külső periodikus bemenet nélküli körülmények között. Napi állatokban (nappali órákban aktív) általában a τ valamivel nagyobb, mint 24 óra, míg az éjszakai állatoknál (aktívak éjszaka) általában τ rövidebb, mint 24 óra.
  2. A ritmusok megfoghatatlanok. A ritmus visszaállítható külső ingereknek (például fénynek és hőnek) való kitettség által, ezt a folyamatot nevezik bevonzásnak . A ritmus befogadására használt külső ingert Zeitgebernek vagy " időadónak " nevezik . Az időzónák közötti utazás illusztrálja az emberi biológiai óra azon képességét, hogy alkalmazkodjon a helyi időhöz; egy személy általában jet lag -ot tapasztal, mielőtt a cirkadián órájának bekapcsolása szinkronba hozná azt a helyi idővel.
  3. A ritmusok hőmérséklet -kompenzációt mutatnak. Más szóval, fenntartják a cirkadián periódusosságot számos fiziológiai hőmérsékleten. Sok élőlény széles hőmérséklet -tartományban él, és a hőenergia -különbségek befolyásolni fogják a sejtjeikben levő összes molekuláris folyamat kinetikáját . Az idő nyomon követése érdekében a szervezet cirkadián órájának nagyjából 24 órás periodicitást kell fenntartania a változó kinetika ellenére, ezt a tulajdonságot hőmérséklet-kompenzációnak nevezik. A Q 10 hőmérsékleti együttható ennek a kompenzáló hatásnak a mértékegysége. Ha a Q 10 együttható körülbelül 1 marad a hőmérséklet emelkedésével, akkor a ritmus hőmérséklet-kompenzáltnak tekintendő.

Eredet

A cirkadián ritmusok lehetővé teszik az élőlények számára, hogy előre jelezzék és felkészüljenek a pontos és rendszeres környezeti változásokra. Így lehetővé teszik az élőlények számára, hogy jobban kamatoztassák a környezeti erőforrásokat (pl. Fény és élelmiszer) azokhoz képest, amelyek nem tudják megjósolni az ilyen rendelkezésre állást. Ezért felmerült, hogy a cirkadián ritmusok evolúciós értelemben szelektív előnyhöz juttatják az organizmusokat. A ritmikusság azonban ugyanolyan fontosnak tűnik a belső anyagcsere -folyamatok szabályozásában és összehangolásában , mint a környezettel való koordinációban . Ezt sugallja a cirkadián ritmusok fenntartása (örökölhetősége) a gyümölcslegyekben több száz generáció után állandó laboratóriumi körülmények között, valamint a természetben állandó sötétségben lévő lényekben, valamint a viselkedési - de nem fiziológiai - cirkadián ritmusok kísérleti kiküszöbölése. a fürj .

Rejtélyes kérdés, hogy mi késztette a cirkadián ritmusok kialakulására. A korábbi hipotézisek hangsúlyozták, hogy a fényérzékeny fehérjék és a cirkadián ritmusok együtt keletkezhettek a legkorábbi sejtekben, azzal a céllal, hogy megvédjék a replikáló DNS -t a káros ultraibolya sugárzástól nappal. Ennek eredményeként a replikáció a sötétbe került. Erre azonban nincsenek bizonyítékok, mivel a legegyszerűbb, cirkadián ritmusú organizmusok, a cianobaktériumok ennek az ellenkezőjét teszik - nappal jobban osztódnak. A legújabb tanulmányok ehelyett rávilágítanak a redox fehérjék cirkadián oszcillátorokkal való együttfejlődésének fontosságára az élet mindhárom területén a nagyjából 2,3 milliárd évvel ezelőtti nagy oxidációs eseményt követően . A jelenlegi nézet szerint a környezeti oxigénszintek cirkadián változásai és a reaktív oxigénfajok (ROS) termelése napfény jelenlétében valószínűleg szükségessé tette a cirkadián ritmusok fejlesztését, hogy megelőzzék, és ezáltal ellensúlyozzák a káros redoxreakciókat naponta. alapon.

A legegyszerűbb ismert cirkadián órák a bakteriális cirkadián ritmusok , például a prokarióta cianobaktériumok . A legújabb kutatások kimutatták, hogy a cirkadián óra a Synechococcus elongatus lehet feloldani in vitro , hogy csak a három fehérje ( Kaia , KaiB , KaiC ) a központi oszcillátor. Ez az óra bizonyítottan 22 órás ritmust tart fenn több napon keresztül ATP hozzáadásával . A prokarióta cirkadián időmérő korábbi magyarázatai a DNS transzkripció/transzláció visszacsatolási mechanizmusától függtek.

A Drosophila " periódus " gén humán homológjának hibáját azonosították az alvászavar FASPS ( familiáris előrehaladott alvási fázis szindróma ) okozójaként , ami aláhúzza a molekuláris cirkadián óra evolúció által megőrzött jellegét. A biológiai óra sokkal több genetikai összetevője ismert. Kölcsönhatásuk a géntermékek egymással összefüggő visszacsatolási hurkát eredményezi, ami időszakos ingadozásokat eredményez, amelyeket a test sejtjei a nap meghatározott időpontjaként értelmeznek.

Ma már ismert, hogy a molekuláris cirkadián óra egyetlen sejten belül működhet. Vagyis sejt-autonóm. Ezt a Gene Block mutatta izolált puhatestű bazális retina neuronokban (BRN). Ugyanakkor a különböző cellák kommunikálhatnak egymással, ami az elektromos jelzés szinkronizált kimenetét eredményezi. Ezek kölcsönhatásba léphetnek az agy belső elválasztású mirigyeivel , és hormonok időszakos felszabadulását eredményezhetik. Ezeknek a hormonoknak a receptorai messze a testen helyezkedhetnek el, és szinkronizálják a különböző szervek perifériás óráit. Így a napszakra vonatkozó információ, amelyet a szem közvetít , az agy órájához utazik, és ezen keresztül a test többi részében lévő órák szinkronizálhatók. Így a biológiai óra koordinálja például az alvás/ébrenlét, a testhőmérséklet, a szomjúság és az étvágy időzítését.

Fontosság az állatokban

A cirkadián ritmus jelen van az állatok, köztük az emberek alvási és táplálkozási szokásaiban. A maghőmérséklet, az agyhullámok aktivitása, a hormontermelés , a sejtregeneráció és más biológiai tevékenységek egyértelmű mintázatokkal is rendelkeznek . Ezenkívül a fotoperiodizmus , a szervezetek élettani reakciója a nappali vagy éjszakai hosszúságra, létfontosságú mind a növények, mind az állatok számára, és a cirkadián rendszer szerepet játszik a nappali hosszúság mérésében és értelmezésében. Számos faj túlélése szempontjából döntő fontosságú az időjárási viszonyok, az élelmiszerek rendelkezésre állása vagy a ragadozótevékenység szezonális időszakainak időben történő előrejelzése. Bár nem ez az egyetlen paraméter, a fényperiódus változó hossza („naphossz”) a leginkább előrejelző környezeti jelzés a fiziológia és a viselkedés szezonális időzítésére, különösen a migráció, a hibernáció és a szaporodás időzítésére.

A cirkadián zavarok hatása

Az óragén mutációi vagy törlése egerekben bizonyította a testórák fontosságát a sejtes/anyagcsere -események megfelelő időzítésének biztosítása érdekében; az óramutáns egerek hiperfagiásak és elhízottak, és megváltozott a glükóz anyagcseréjük. Egerekben a Rev-ErbA alfa- óra gén törlése megkönnyíti az étrend okozta elhízást, és megváltoztatja a cukorbetegségre hajlamos glükóz- és lipidfelhasználás közötti egyensúlyt. Nem világos azonban, hogy van -e szoros összefüggés az ember óra génpolimorfizmusai és a metabolikus szindróma kialakulására való hajlam között.

A világos -sötét ciklus hatása

A ritmus a világos -sötét ciklushoz kapcsolódik. Az állatok, köztük az emberek, hosszabb ideig teljes sötétségben tartva, végül szabadon futó ritmusban működnek . Alvási ciklusukat minden "napon" előre vagy hátra tolják, attól függően, hogy a "napjuk", az endogén időszakuk rövidebb vagy hosszabb, mint 24 óra. Azokat a környezeti jeleket, amelyek minden nap visszaállítják a ritmust, zeitgebersnek (németül "időadók") nevezik. A teljesen vak föld alatti emlősök (pl. Vak vakond patkány Spalax sp.) Képesek külső ingerek hiányában is fenntartani endogén órájukat. Bár nincsenek képalkotó szemeik, fotoreceptorjaik (amelyek érzékelik a fényt) továbbra is működőképesek; időszakosan is felszínre kerülnek.

A szabadon futó élőlények, amelyeknek általában egy vagy két összevont alvási epizódjuk van, továbbra is fennállnak, ha külső jelektől védett környezetben vannak, de a ritmus nem vonja be a 24 órás világos-sötét ciklusba. Ilyen körülmények között az alvás -ébrenlét ritmusa kieshet más cirkadián vagy ultrahangos ritmusokkal, például anyagcsere-, hormon-, központi idegrendszeri vagy neurotranszmitter ritmusokkal.

A legújabb kutatások befolyásolták az űrhajók környezetének kialakítását, mivel a világos -sötét ciklust utánzó rendszerek rendkívül előnyösnek bizonyultak az űrhajósok számára. A fényterápiát kipróbálták az alvászavarok kezelésére .

Sarkvidéki állatok

A Tromsø -i Egyetem norvég kutatói kimutatták, hogy egyes sarkvidéki állatok (pl. Pisztráng , rénszarvas ) csak az év azon részein mutatnak cirkadián ritmust, ahol napfelkelte és napnyugta van. A rénszarvasok egyik vizsgálatában az északi 70 fokos állatok ősszel, télen és tavasszal cirkadián ritmust mutattak, de nyáron nem. Rénszarvas Svalbard át 78 fok észak mutatott ilyen, ritmusok csak ősszel és tavasszal. A kutatók azt gyanítják, hogy más sarkvidéki állatok sem mutathatnak cirkadián ritmust a nyár állandó fényében és a tél állandó sötétjében.

Egy 2006-os Alaszka északi részén végzett tanulmány megállapította, hogy a nappal élő földi mókusok és az éjszakai tökfélék szigorúan fenntartják cirkadián ritmusukat 82 napsütéses napon keresztül. A kutatók azt feltételezik, hogy ez a két rágcsáló észreveszi, hogy a látszólagos távolság a nap és a horizont között naponta egyszer a legrövidebb, és így elegendő jelük van ahhoz, hogy magával ragadja (beállítsa).

Pillangó és lepke

A kelet-észak-amerikai uralkodó pillangó ( Danaus plexippus ) őszi vándorlásának navigálása Mexikó középső részén található telelőterületükre időkompenzált nap iránytűt használ, amely az antennák cirkadián órájától függ. A cirkadián ritmus bizonyos lepkefajok, például a Spodoptera littoralis párzási viselkedését is szabályozza , ahol a nőstények specifikus feromonokat termelnek, amelyek vonzzák és visszaállítják a hím cirkadián ritmust, hogy éjszakai párzást idézzenek elő.

A növényekben

Alvó fa éjjel -nappal

A növények cirkadián ritmusai megmondják a növénynek, hogy melyik évszakban van, és mikor kell virágozni, hogy a legjobb esély legyen a beporzók vonzására. A ritmusokat mutató viselkedések közé tartozik többek között a levélmozgás, növekedés, csírázás, száj-/gázcsere, enzimaktivitás, fotoszintetikus aktivitás és illatkibocsátás. A cirkadián ritmusok akkor fordulnak elő, amikor a növény szinkronban van a környező környezet fényciklusával. Ezek a ritmusok endogén módon keletkeznek, önfenntartóak és viszonylag állandóak a környezeti hőmérséklet tartományában. A fontos jellemzők közé tartozik két interakciós transzkripciós-transzlációs visszacsatolási hurok: PAS doméneket tartalmazó fehérjék, amelyek megkönnyítik a fehérje-fehérje kölcsönhatásokat; és számos fotoreceptor, amelyek finomhangolják az órát a különböző fényviszonyokhoz. A környezetben bekövetkező változások előrejelzése lehetővé teszi a növény fiziológiai állapotának megfelelő megváltoztatását, és adaptív előnyt biztosít. A növények cirkadián ritmusainak jobb megértése a mezőgazdaságban is alkalmazható, például segít a gazdálkodóknak a termés betakarításában a termés elérhetőségének növelésében, és biztosítják az időjárás okozta hatalmas veszteségeket.

A fény az a jel, amellyel a növények szinkronizálják a belső órájukat a környezetükkel, és ezt sokféle fotoreceptor érzékeli. A vörös és a kék fény több fitokrómon és kriptokrómon keresztül szívódik fel . Az egyik fitokróm, a phyA, a fő fitokróm a sötétben termesztett palántákban, de fényben gyorsan lebomlik, és Cry1 -et termel. A B – E fitokrómok stabilabbak a fényben termesztett palánták phyB -jével, ami a fő fitokróm. A kriptokróm (cry) gén a cirkadián óra fényérzékeny összetevője, és úgy gondolják, hogy mind fotoreceptorként, mind az óra endogén pacemaker mechanizmusának részeként részt vesz. Az 1–2 -es kriptokrómok (a kék -UVA -ban részt vesznek) segítenek megtartani a periódus hosszát az órában a fényviszonyok egész sorában.

A központi oszcillátor önfenntartó ritmust generál, és két, egymással kölcsönhatásban lévő visszacsatoló hurok hajtják, amelyek a nap különböző szakaszaiban aktívak. A reggeli ciklus a CCA1-ből (Circadian and Clock-Associated 1) és az LHY-ből (Late Elongated Hypocotyl) áll, amelyek szorosan kapcsolódó MYB transzkripciós tényezőket kódolnak, amelyek szabályozzák a cirkadián ritmust Arabidopsis- ban, valamint a PRR 7 és 9 (Pseudo-Response Regulators). Az esti ciklus GI -ből (Gigantea) és ELF4 -ből áll, mindkettő részt vesz a virágzási idő gének szabályozásában. Amikor a CCA1 és az LHY túlexpresszálódik (állandó fény- vagy sötét körülmények között), a növények aritmiássá válnak, és az mRNS -jelek csökkennek, hozzájárulva a negatív visszacsatoláshoz. A CCA1 és az LHY génexpressziója kora reggel oszcillál és csúcsosodik, míg a TOC1 génexpresszió kora este oszcillál és csúcsosodik ki. Míg korábban azt feltételezték, hogy ez a három gén negatív visszacsatolási ciklust modellez, amelyben a túl expresszált CCA1 és LHY elnyomja a TOC1-et, és a túlzottan expresszált TOC1 a CCA1 és az LHY pozitív szabályozója, 2012-ben Andrew Millar és mások kimutatták, hogy a TOC1 valójában nemcsak a CCA1, LHY és a PRR7 és 9 reggeli ciklusban, hanem az esti ciklusban a GI és az ELF4 represszorként is szolgál. Ez a megállapítás és a TOC1 génfunkciók és kölcsönhatások további számítási modellezése azt sugallja, hogy a növényi cirkadián órát háromszoros negatív komponensű repressziómodellként kell átformálni, nem pedig az emlősök óráját jellemző pozitív/negatív elem visszacsatolási hurkot.

2018 -ban a kutatók azt találták, hogy a PRR5 és a TOC1 hnRNS születő átiratainak expressziója ugyanazt az oszcillációs mintát követi, mint az A.thaliana -ban ritmikusan feldolgozott mRNS -átiratok. Az LNK -k kötődnek a PRR5 és a TOC1 5 -ös régiójához, és kölcsönhatásba lépnek az RNAP II -vel és más transzkripciós faktorokkal . Ezenkívül az RVE8-LNK kölcsönhatás lehetővé teszi egy megengedő hiszton-metilezési minta (H3K4me3) módosítását, és maga a hiszton-módosítás párhuzamba állítja az óra gén expressziójának oszcillációját.

Korábban azt találták, hogy a növény cirkadián ritmusának a külső környezet világos és sötét ciklusaihoz való illesztése pozitív hatással lehet a növényre. A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy kísérleteket végeztek az Arabidopsis thaliana három különböző fajtáján . Az egyik ilyen fajta normál 24 órás cirkadián ciklussal rendelkezett. A másik két fajta mutálódott, az egyikben a cirkadián ciklus több mint 27 óra, a másikban pedig a normálnál rövidebb, 20 órás.

A 24 órás cirkadián ciklusú Arabidopsist három különböző környezetben termesztették. Az egyik ilyen környezetben 20 órás világos és sötét ciklus volt (10 óra fény és 10 óra sötét), a másikban 24 órás világos és sötét ciklus (12 óra fény és 12 óra sötét), és A végső környezetben 28 órás világos és sötét ciklus volt (14 óra fény és 14 óra sötét). A két mutált növényt 20 órás világos és sötét ciklusú környezetben, valamint 28 órás világos és sötét ciklusú környezetben termesztettük. Kiderült, hogy a 24 órás cirkadián ritmusciklusú Arabidopsis fajta olyan környezetben nőtt a legjobban, amelyben 24 órás világos és sötét ciklus is volt. Összességében azt találták, hogy az Arabidopsis thaliana minden fajtája magasabb klorofillszintet és nagyobb növekedést eredményezett azokban a környezetekben, amelyek világos és sötét ciklusai megfeleltek a cirkadián ritmusuknak.

A kutatók azt sugallták, hogy ennek oka az lehet, hogy az Arabidopsis cirkadián ritmusának a környezetéhez való igazítása lehetővé teszi a növény számára, hogy jobban felkészüljön a hajnalra és az alkonyatra, és így jobban szinkronizálhassa folyamatait. Ebben a tanulmányban azt is megállapították, hogy a klorofill szabályozását elősegítő gének a hajnal után néhány órával tetőztek. Úgy tűnik, hogy ez összhangban van a javasolt jelenséggel, amelyet metabolikus hajnalnak neveznek.

A metabolikus hajnali hipotézis szerint a fotoszintézis által termelt cukrok képesek szabályozni a cirkadián ritmust, valamint bizonyos fotoszintetikus és metabolikus útvonalakat. Ahogy a nap felkel, több fény válik elérhetővé, ami általában több fotoszintézist tesz lehetővé. A fotoszintézis által termelt cukrok elnyomják a PRR7 -et. A PRR7 ezen elnyomása a CCA1 fokozott expressziójához vezet. Másrészt a csökkent fotoszintetikus cukorszint növeli a PRR7 expressziót és csökkenti a CCA1 expressziót. Ez a visszacsatolási hurok a CCA1 és a PRR7 között az, ami a metabolikus hajnalt előidézi.

A Drosophila

Az emlős és a Drosophila agy (A), valamint a Drosophila (B) cirkadián rendszerének legfontosabb központjai .

A cirkadián ritmus és a fényérzékelés molekuláris mechanizmusa a Drosophila -ban érthető meg a legjobban . Óra géneket fedeztek fel a Drosophila -ból , és együtt működnek az óra neuronjaival. Két egyedi ritmus létezik, az egyik a bábból való kikelés folyamán (az úgynevezett eclosion ), a másik a párzás során. Az óra neuronjai a központi agy különböző klasztereiben helyezkednek el. A legjobban értett óra neuronok az optikai lebeny nagy és kicsi oldalsó ventrális neuronjai (l-LNvs és s-LNvs) . Ezek a neuronok pigment diszpergáló faktort (PDF) termelnek, egy neuropeptidet, amely cirkadián neuromodulátorként működik a különböző óra neuronok között.

Az óra gének és fehérjék molekuláris kölcsönhatásai a Drosophila cirkadián ritmus során.

A Drosophila cirkadián ritmus a transzkripció-fordítás visszacsatolási hurkon keresztül történik. A mag órajelmechanizmusa két egymástól függő visszacsatolási hurokból áll, nevezetesen a PER/TIM hurokból és a CLK/CYC hurokból. A CLK/CYC hurok napközben jelentkezik, és elindítja a per és tim gének átírását . A fehérjék szintje azonban alkonyatig alacsony marad, mert a nappali fényben a kettős idejű ( dbt ) gén is aktiválódik . A DBT fehérje foszforilációt és monomer PER fehérjék forgalmát okozza. A TIM -et bozontos is foszforilálja napnyugtáig. Napnyugta után a DBT eltűnik, így a PER molekulák stabilan kötődnek a TIM -hez. A PER/TIM dimer éjszaka többször belép a magba, és kötődik a CLK/CYC dimerekhez. A kötött PER teljesen leállítja a CLK és a CYC transzkripciós aktivitását.

Kora reggel a fény aktiválja a síró gént, és a CRY fehérje okozza a TIM bomlását. Így a PER/TIM dimer disszociál, és a kötetlen PER instabillá válik. A PER progresszív foszforiláción és végül degradáción megy keresztül. A PER és a TIM hiánya lehetővé teszi a clk és cyc gének aktiválását . Így az óra nullázódik a következő cirkadián ciklus elindításához.

PER-TIM modell

Ezt a fehérjemodellt a PER és TIM fehérjék rezgésein alapulva fejlesztették ki a Drosophila -ban . Elődjén, a PER -modellen alapul, ahol elmagyarázták, hogy az egyes gének és fehérjék hogyan befolyásolják a biológiai órát. A modell magában foglalja egy nukleáris PER-TIM komplex kialakulását, amely befolyásolja a per és a tim gének transzkripcióját (negatív visszacsatolás révén) és e két fehérje többszörös foszforilációját. E két fehérje cirkadián rezgései szinkronizálódni látszanak a világos-sötét körforgással, még akkor is, ha nem feltétlenül függenek tőle. Mind a PER, mind a TIM fehérjék foszforileződnek, és miután létrehozták a PER-TIM nukleáris komplexet, visszatérnek a sejtmagba, hogy megállítsák a per és tim mRNS expresszióját. Ez a gátlás mindaddig tart, amíg a fehérje, vagy az mRNS nem bomlik le. Amikor ez megtörténik, a komplex felszabadítja a gátlást. Itt megemlíthetjük azt is, hogy a TIM fehérje lebomlását a fény felgyorsítja.

Emlősökben

A változás egy eskinogram szemléltető fény hatására és sötétség cirkadián ritmus és a kapcsolódó fiziológia és a viselkedés a nucleus suprachiasmaticus emberben

Az elsődleges cirkadián óra az emlősökben található, a nucleus suprachiasmaticus (vagy magok) (SCN), egy pár különálló csoportok sejtek található a hipotalamuszban . Az SCN megsemmisítése a rendszeres alvás -ébrenléti ritmus teljes hiányát eredményezi. Az SCN a szemen keresztül kap információt a megvilágításról. A szem retinája "klasszikus" fotoreceptorokat (" rudak " és " kúpok ") tartalmaz, amelyeket a hagyományos látáshoz használnak. De a retina speciális ganglionsejteket is tartalmaz , amelyek közvetlenül fényérzékenyek, és közvetlenül az SCN -re vetülnek, ahol segítenek a mester cirkadián óra befogadásában (szinkronizálásában). Az SCN órában résztvevő fehérjék homológok a gyümölcslegyben található fehérjékkel.

Ezek a sejtek a fotopigment melanopsint tartalmazzák, és jelzéseik a retinohypothalamic traktusnak nevezett utat követik , amely az SCN -hez vezet. Ha az SCN -ből származó sejteket eltávolítják és tenyésztik, külső jelzések hiányában fenntartják saját ritmusukat.

Az SCN átveszi a retinából a nappal és az éjszaka hosszára vonatkozó információkat, értelmezi azt, és továbbítja a tobozmirigynek , egy apró, fenyőtoboz alakú szerkezetnek, amely a hámszöveten található . Válaszul a tobozmirigy kiválasztja a melatonin hormont . A melatonin szekréciója éjszaka tetőzik és nappal apad, és jelenléte információt nyújt az éjszaka hosszáról.

Számos tanulmány kimutatta, hogy a tobozmirigy melatonin az SCN ritmusából táplálkozik, hogy módosítsa a cirkadián aktivitási mintákat és más folyamatokat. Ennek a visszajelzésnek a jellege és rendszerszintű jelentősége azonban nem ismert.

Az emberek cirkadián ritmusai a Föld 24 órájánál valamivel rövidebb és hosszabb periódusokba vonhatók. A Harvard kutatói kimutatták, hogy az emberi alanyokat legalább 23,5 órás és 24,65 órás ciklusba lehet vonni (ez utóbbi a természetes nap-éjszaka ciklus a Mars bolygón ).

Emberek

Amikor a szemek napfényt kapnak, a tobozmirigy melatonin termelése gátolt, és a termelt hormonok ébren tartják az embert. Ha a szem nem kap fényt, a tobozmirigyben melatonin termelődik, és az ember elfárad.

A cirkadián ritmusok korai kutatása azt sugallta, hogy a legtöbb ember inkább a 25 órához közelebb álló napot részesíti előnyben, ha el van szigetelve a külső ingerektől, például a nappali fénytől és az időméréstől. Ez a kutatás azonban hibás volt, mert nem tudta megvédeni a résztvevőket a mesterséges fénytől. Bár az alanyok védve voltak az időjelektől (például az óráktól) és a nappali fénytől, a kutatók nem voltak tisztában a beltéri elektromos lámpák fáziskésleltető hatásaival. Az alanyoknak engedélyezniük kellett, hogy ébren legyenek, és aludni akarjanak. Az esti elektromos fény késleltette a cirkadián fázisukat. A Harvard Egyetem 1999 -ben végzett szigorúbb tanulmánya szerint a természetes emberi ritmus megközelítette a 24 órát és 11 percet: sokkal közelebb a naphoz . Ezzel a kutatással összhangban volt egy újabb tanulmány 2010 -ből, amely szintén azonosította a nemi különbségeket a cirkadián periódussal a nőknél valamivel rövidebb (24,09 óra), mint a férfiaknál (24,19 óra). Ebben a tanulmányban a nők hajlamosak voltak korábban felkelni, mint a férfiak, és jobban kedvelik a reggeli tevékenységeket, mint a férfiak, bár ezeknek a különbségeknek a mögöttes biológiai mechanizmusai nem ismertek.

Biológiai markerek és hatások

Az emlősök cirkadián ritmusának időzítésének mérésére szolgáló klasszikus fázisjelzők a következők:

A hőmérsékleti vizsgálatokhoz az alanyoknak ébren kell maradniuk, de nyugodtnak és félig hátradőltnek kell lenniük a sötétben, miközben a végbél hőmérsékletét folyamatosan mérik. Bár a szokásos kronotípusok között nagy a variáció , az átlagos emberi felnőtt hőmérséklete eléri a minimumot hajnali 5 órakor, körülbelül két órával a szokásos ébredési idő előtt. Baehr és mtsai. megállapította, hogy a fiatal felnőtteknél a napi testhőmérséklet minimum a reggeli típusoknál 04:00 (4:00), de az esti típusok 06:00 (6:00) körül következett be. Ez a minimum a reggeli típusoknál körülbelül a nyolc órás alvási időszak közepén következett be, de közelebb az esti típusok ébredéséhez.

A melatonin hiányzik a rendszerből, vagy kimutathatatlanul alacsony nappal. Kezdete gyenge fényben, gyenge fényű melatonin kezdetben (DLMO), nagyjából 21:00 órakor (21:00) mérhető a vérben vagy a nyálban. Fő metabolitja a reggeli vizeletben is mérhető. A DLMO -t és a hormon vérben vagy nyálban való jelenlétének középpontját (időben) cirkadián markerként használták. Az újabb kutatások azonban azt mutatják, hogy a melatonin eltolás lehet a megbízhatóbb marker. Benloucif és mtsai. megállapította, hogy a melatonin fázis markerek stabilabbak és jobban korrelálnak az alvás időzítésével, mint a maghőmérséklet minimum. Azt találták, hogy mind az alváseltolódás, mind a melatonin -eltolás erősebben korrelál a fázisjelzőkkel, mint az alvás kezdete. Ezenkívül a melatonin szint csökkenő fázisa megbízhatóbb és stabilabb, mint a melatonin szintézis befejezése.

A cirkadián ritmusnak megfelelően bekövetkező egyéb fiziológiai változások közé tartozik a pulzusszám és számos sejtfolyamat ", beleértve az oxidatív stresszt , a sejtek anyagcseréjét , az immun- és gyulladásos válaszokat, az epigenetikai módosítást, a hipoxia / hiperoxia válaszútjait , az endoplazmatikus retikuláris stresszt , az autofágia és a szár szabályozását. sejtes környezetben. " Egy fiatal férfiak körében végzett vizsgálat során azt találták, hogy a pulzusszám alvás közben eléri a legalacsonyabb átlagfrekvenciát, és röviddel az ébredés után a legmagasabb átlagot.

A korábbi tanulmányokkal ellentétben azt találták, hogy a testhőmérséklet nincs hatással a pszichológiai tesztek teljesítményére. Ez valószínűleg a magasabb kognitív funkciók evolúciós nyomásának köszönhető a korábbi tanulmányokban vizsgált többi funkcióterülethez képest.

A "főórán" kívül

Többé-kevésbé független cirkadián ritmusok találhatók a szervezet számos szervében és sejtjében a suprachiasmaticus magokon (SCN) kívül, a "master clock" -on. Valójában Joseph Takahashi idegtudós és kollégái egy 2013 -as cikkben kijelentették, hogy "a test szinte minden sejtje cirkadián órát tartalmaz". Például ezek az órák, amelyeket perifériás oszcillátoroknak neveznek, megtalálhatók a mellékvesében, a nyelőcsőben , a tüdőben , a májban , a hasnyálmirigyben , a lépben , a csecsemőmirigyben és a bőrben. Van néhány bizonyíték arra is, hogy a szaglóhagyma és a prosztata rezgéseket tapasztalhat, legalábbis tenyésztéskor.

Bár a bőr oszcillátorai reagálnak a fényre, szisztémás hatást nem bizonyítottak. Ezenkívül számos oszcillátorról, például a májsejtekről kimutatták, hogy reagálnak a fénytől eltérő bemenetekre, például az etetésre.

A fény és a biológiai óra

A fény visszaállítja a biológiai órát a fázisválaszgörbével (PRC) összhangban. Az időzítéstől függően a fény elősegítheti vagy késleltetheti a cirkadián ritmust. Mind a KNK, mind a szükséges megvilágítás fajonként eltérő, és az éjszakai rágcsálók órájának visszaállításához alacsonyabb fényszintek szükségesek, mint az emberekben.

Kényszerített hosszabb vagy rövidebb ciklusok

Különböző embereken végzett tanulmányok a kényszerített alvási/ébrenléti ciklusokat erősen eltérik a 24 órától, például Nathaniel Kleitman 1938-as (28 órás), valamint Derk-Jan Dijk és Charles Czeisler által az 1990-es években (20 óra) végzett tanulmányait. Mivel a normál (tipikus) cirkadián órával rendelkező emberek nem tudnak ilyen rendellenes nappali/éjszakai ritmusokat alkalmazni, ezt kényszerített szinkronizációs protokollnak nevezik. Egy ilyen protokoll szerint az alvás és ébredés epizódjai függetlenek a test endogén cirkadián periódusától, ami lehetővé teszi a kutatók számára, hogy felmérjék a cirkadián fázis (azaz a cirkadián ciklus relatív időzítése) hatásait az alvás és ébrenlét aspektusaira, beleértve az alvás késését és egyéb funkciók - fiziológiai, viselkedési és kognitív.

Tanulmányok azt is mutatják, hogy a Cyclosa turbinata egyedülálló abban, hogy mozgásszervi és webépítő tevékenysége miatt kivételesen rövid periódusú, körülbelül 19 órás cirkadián órája van. Amikor a C. turbinata pókokat 19, 24 vagy 29 órás egyenletesen eloszló világos és sötét kamrákba helyezik, egyik pók sem mutatott csökkent élettartamot a saját cirkadián órájában. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy a C. turbinata nem szenved ugyanolyan költségeket az extrém deszinkronizációból, mint más állatfajok.

Emberi egészség

A napközbeni rövid alvás nem befolyásolja a cirkadián ritmust.

Az orvosi kezelés időzítése, összhangban a test órájával, a kronoterápiával , jelentősen növelheti a hatékonyságot, és csökkentheti a gyógyszer toxicitását vagy mellékhatásait.

Számos tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy a teljesítmény-szundi , a rövid alvás a nap folyamán csökkentheti a stresszt és javíthatja a termelékenységet anélkül, hogy mérhető hatást gyakorolna a normál cirkadián ritmusra.

A cirkadián ritmus megzavarása egészségügyi problémákat okozhat. A cirkadián ritmusok szintén szerepet játszanak a retikuláris aktiváló rendszerben , ami elengedhetetlen a tudatállapot fenntartásához. Az alvás -ébrenlét ciklus megfordítása az urémiának , azotémiának vagy akut vesekárosodásnak a jele vagy szövődménye lehet .

Tanulmányok azt is kimutatták, hogy a fény közvetlen hatással van az emberi egészségre, mivel befolyásolja a cirkadián ritmusokat.

Beltéri világítás

A cirkadián szabályozás világítási követelményei nem egyszerűen ugyanazok, mint a látásé; az irodák és intézmények beltéri világításának tervezése kezdi ezt figyelembe venni. A laboratóriumi körülmények között végzett fényhatásokkal foglalkozó állatkísérletek a közelmúltig figyelembe vették a fényintenzitást ( besugárzást ), de nem a színt, ami kimutathatóan "a biológiai időzítés alapvető szabályozójaként működik természetesebb körülmények között".

Elhízás és cukorbetegség

Az elhízás és a cukorbetegség életmóddal és genetikai tényezőkkel jár. Ezek közül a tényezők közül a cirkadián óramű megszakítása és/vagy a cirkadián időzítő rendszer és a külső környezet közötti eltérés (pl. Világos -sötét ciklus) szerepet játszhat az anyagcserezavarok kialakulásában.

A műszakos munka vagy a krónikus jet lag mélyreható következményekkel jár a szervezet cirkadián és metabolikus eseményeire. Azok az állatok, amelyek kénytelenek enni pihenőidejük alatt, megnövekedett testtömeget mutatnak, és megváltozott az óra és az anyagcsere gének kifejeződése. Emberben a szabálytalan étkezési időket kedvelő műszakos munka megváltozott inzulinérzékenységgel és magasabb testtömeggel jár. A műszakos munka fokozott anyagcsere-kockázathoz is vezet a kardio-metabolikus szindróma, a magas vérnyomás és a gyulladás szempontjából.

A légitársaság pilótái és a légiutas -kísérő személyzet

A légitársasági pilóták munkajellege miatt, akik gyakran egy nap alatt több időzónát és napfény- és sötétségrégiót is átlépnek, és éjjel -nappal sok órát ébren töltenek, gyakran nem képesek fenntartani a természetes emberi cirkadiánnak megfelelő alvási szokásokat ritmus; ez a helyzet könnyen fáradtsághoz vezethet . Az NTSB ezt sok balesethez való hozzájárulásként említi, és számos kutatást végzett annak érdekében, hogy módszereket találjon a pilóták fáradtságának leküzdésére.

Zavar

A ritmuszavarok általában negatív hatással vannak. Sok utazó tapasztalta a jet lag néven ismert állapotot , a hozzá kapcsolódó fáradtság , tájékozódási zavarok és álmatlanság tüneteit .

Számos más rendellenesség, például a bipoláris zavar és néhány alvászavar, például a késleltetett alvási fázis zavar (DSPD) összefüggésben áll a cirkadián ritmus szabálytalan vagy kóros működésével.

A ritmuszavarok hosszabb távon feltehetően jelentős káros egészségügyi következményekkel járnak az agyon kívüli perifériás szervekre, különösen a szív- és érrendszeri betegségek kialakulására vagy súlyosbodására. A kék LED-es világítás ötször jobban elnyomja a melatonin termelést, mint a narancs-sárga nagynyomású nátrium (HPS) fény ; egy fém -halogenid lámpa , amely fehér fény, elnyomja a melatonint több mint háromszor nagyobb sebességgel, mint a HPS. A hosszú távú éjszakai fény expozícióból származó depressziós tünetek megszüntethetők a normál ciklusba való visszatéréssel.

A gyógyszerek hatása

Mind az állatokon, mind az embereken végzett vizsgálatok jelentős kétirányú kapcsolatot mutatnak a cirkadián rendszer és a bántalmazó gyógyszerek között. Azt jelzik, hogy ezek a bántalmazó gyógyszerek befolyásolják a központi cirkadián pacemakert. A kábítószerrel való visszaélésben szenvedő személyek zavart ritmusokat mutatnak. Ezek a megzavart ritmusok növelhetik a kábítószerrel való visszaélés és a visszaesés kockázatát. Lehetséges, hogy a normál alvási és ébrenléti ciklus genetikai és/vagy környezeti zavarai növelhetik a függőségre való hajlamot.

Nehéz megállapítani, hogy a cirkadián ritmus zavara a felelős a kábítószerrel való visszaélés gyakoriságának növekedéséért - vagy más környezeti tényezők, például a stressz a hibás. A cirkadián ritmus és az alvás megváltozása akkor következik be, amikor az egyén drogokkal és alkohollal kezd visszaélni. Miután az egyén úgy dönt, hogy abbahagyja a drogok és az alkohol használatát, a cirkadián ritmus továbbra is megszakad.

Az alvás és a cirkadián ritmus stabilizálása esetleg segíthet csökkenteni a függőséggel szembeni sebezhetőséget és csökkenteni a visszaesés esélyét.

A suprachiasmaticus magon kívüli agyi régiókban expresszált cirkadián ritmusok és óra gének jelentősen befolyásolhatják a kábítószerek, például a kokain által kifejtett hatásokat . Ezenkívül az óra gének genetikai manipulációi mélyen befolyásolják a kokain hatását.

Társadalom és kultúra

2017-ben, Jeffrey C. Hall- , Michael W. Young , és Michael Rosbash kapott Nobel-díjat fiziológiai vagy orvostudományi „azok a felfedezések a molekuláris mechanizmusok szabályozására a cirkadián ritmus”.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

Külső linkek