دانشمندان کشف کردند که چگونه ریتم شبانه روزی ما می تواند هم قوی و هم انعطاف پذیر باشد

از مگس های میوه ریز گرفته تا انسان ها، همه حیوانات روی زمین ریتم روزانه خود را بر اساس ساعت شبانه روزی درونی خود حفظ می کنند. ساعت شبانه روزی موجودات زنده را قادر می سازد تا بر اساس یک چرخه شبانه روزی 24 ساعته تغییرات ریتمیک در رفتار و فیزیولوژی را تجربه کنند. برای مثال، ساعت بیولوژیکی خودمان به مغزمان می‌گوید ملاتونین، هورمون خواب‌آور، را در شب ترشح کند.

کشف مکانیسم مولکولی ساعت شبانه روزی جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی 2017 را دریافت کرد. از آنچه می دانیم، هیچ ساعت متمرکزی مسئول چرخه های شبانه روزی ما نیست. در عوض، در یک شبکه سلسله مراتبی عمل می کند که در آن «پیس میکر اصلی» و «نوسانگر برده» وجود دارد.

پیس میکر اصلی سیگنال های ورودی مختلفی مانند نور را از محیط دریافت می کند. سپس استاد نوسانگر برده را هدایت می کند که خروجی های مختلفی مانند خواب، تغذیه و متابولیسم را تنظیم می کند. علی‌رغم نقش‌های متفاوت نورون‌های ضربان‌ساز، آن‌ها مکانیسم‌های مولکولی مشترکی دارند که به خوبی در همه شکل‌های زندگی حفظ می‌شوند. به عنوان مثال، سیستم‌های به هم پیوسته حلقه‌های بازخورد رونویسی-ترجمه‌ای متعدد (TTFL) که از پروتئین‌های ساعت هسته تشکیل شده‌اند، عمیقاً در مگس‌های میوه مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

با این حال، هنوز چیزهای زیادی وجود دارد که ما باید در مورد ساعت بیولوژیکی خود یاد بگیریم. ماهیت سازمان‌یافته سلسله مراتبی نورون‌های ساعت اصلی و برده منجر به این باور رایج می‌شود که آنها یک ساعت مولکولی یکسان دارند. در عین حال، نقش‌های متفاوتی که آن‌ها در تنظیم ریتم‌های بدن ایفا می‌کنند، این سوال را نیز مطرح می‌کند که آیا ممکن است تحت ساعت‌های مولکولی مختلف عمل کنند یا خیر.

محققان موسسه علوم پایه (IBS) و دانشگاه آجو به رهبری پروفسور جاه کیونگ کیم و یون یانگ کیم از ترکیبی از رویکردهای ریاضی و تجربی با استفاده از مگس میوه برای پاسخ به این سوال استفاده کردند. تیم دریافتند که ساعت اصلی و ساعت برده از طریق مکانیسم‌های مولکولی متفاوتی کار می‌کنند.

در هر دو نورون ارباب و برده مگس میوه، یک پروتئین مرتبط با ریتم شبانه روزی به نام PER تولید و با سرعت های مختلف بسته به زمان روز تجزیه می شود. پیش از این، تیم دریافته بود که نورون ساعت اصلی (sLN _vs ) و نورون ساعت برده (DN1 ps ) پروفایل های متفاوتی از PER در مگس سرکه جهش یافته نوع وحشی و Clk-Δ دارند. این نشان می دهد که ممکن است یک تفاوت بالقوه در ساعت مولکولی بین نورون های ساعت اصلی و برده وجود داشته باشد.

با این حال، به دلیل پیچیدگی ساعت مولکولی، شناسایی منبع چنین تفاوت‌هایی چالش برانگیز بود. بنابراین، این تیم یک مدل ریاضی برای توصیف ساعت‌های مولکولی ساعت‌های اصلی و slave ایجاد کردند. سپس، تمام تفاوت های مولکولی ممکن بین نورون های ساعت اصلی و برده با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری به طور سیستماتیک بررسی شد. مدل پیش‌بینی کرد که PER در مقایسه با نورون‌های ساعت برده به‌طور مؤثرتری تولید می‌شود و سپس به سرعت در ساعت اصلی تخریب می‌شود. سپس این پیش‌بینی توسط آزمایش‌های بعدی با استفاده از حیوانات تأیید شد.

پس، چرا نورون‌های ساعت اصلی چنین ویژگی‌های مولکولی متفاوتی با نورون‌های ساعت برده دارند؟ برای پاسخ به این سوال، تیم تحقیقاتی مجدداً از ترکیب شبیه‌سازی مدل ریاضی و آزمایش‌ها استفاده کردند. مشخص شد که نرخ سریعتر سنتز PER در نورون های ساعت اصلی به آنها اجازه می دهد تا ریتم های همگام با سطح دامنه بالایی تولید کنند. تولید چنین ریتم قوی با دامنه بالا برای ارسال سیگنال های واضح به نورون های ساعت برده حیاتی است.

با این حال، چنین ریتم‌های قوی معمولاً در هنگام سازگاری با تغییرات محیطی نامطلوب هستند. این موارد شامل علل طبیعی مانند ساعات مختلف نور روز در فصول تابستان و زمستان، تا موارد مصنوعی شدیدتر مانند جت لگ است که پس از سفرهای بین‌المللی رخ می‌دهد. به لطف ویژگی متمایز نورون‌های ساعت اصلی، می‌تواند زمانی که چرخه استاندارد نور تا تاریکی مختل می‌شود، تحت پراکندگی فاز قرار گیرد و سطح PER را به شدت کاهش دهد. سپس نورون های ساعت اصلی می توانند به راحتی با چرخه روزانه جدید سازگار شوند. انعطاف‌پذیری پیس میکر اصلی ما توضیح می‌دهد که چگونه می‌توانیم پس از یک دوره کوتاه جت لگ، به سرعت خود را با مناطق زمانی جدید پس از پروازهای بین‌المللی تنظیم کنیم.

امید است که یافته های این مطالعه بتواند پیامدهای بالینی آینده را در مورد درمان اختلالات مختلفی که بر ریتم شبانه روزی ما تأثیر می گذارند، داشته باشد. محقق ارشد کیم خاطرنشان می کند: «وقتی ساعت شبانه روزی استحکام و انعطاف پذیری خود را از دست می دهد، ریتم شبانه روزی اختلالات خواب ممکن است رخ دهد. از آنجایی که این مطالعه مکانیسم مولکولی را که استحکام و انعطاف‌پذیری ساعت شبانه‌روزی را ایجاد می‌کند، شناسایی می‌کند، می‌تواند شناسایی علت و استراتژی درمان اختلالات خواب ریتم شبانه‌روزی را تسهیل کند.

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت موسسه علوم پایه منتشر شد