Zegar biologiczny utrzymuje 24-godzinny cykl poprzez zmianę funkcjonowania genów w ciepłych warunkach

Naukowcy pod kierownictwem gen. Kurosawy z Centrum Interdyscyplinarnych Nauk Teoretycznych i Matematycznych RIKEN (iTHEMS) w Japonii wykorzystali fizykę teoretyczną, aby odkryć, w jaki sposób nasz zegar biologiczny utrzymuje stabilny 24-godzinny cykl, nawet przy zmieniających się temperaturach.

Odkryli, że stabilność ta jest osiągana poprzez subtelną zmianę „kształtu” rytmów aktywności genów w wyższych temperaturach – proces znany jako zniekształcenie przebiegu fali. Proces ten nie tylko pomaga w utrzymaniu dokładnego czasu, ale także wpływa na to, jak dobrze nasze wewnętrzne zegary synchronizują się z cyklem dnia i nocy. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie PLOS Computational Biology.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, skąd Twój organizm wie, kiedy spać, a kiedy się budzić? Odpowiedź jest prosta: Twój organizm ma zegar biologiczny, który działa w cyklu około 24-godzinnym. Ponieważ jednak większość reakcji chemicznych przyspiesza wraz ze wzrostem temperatury, pozostaje zagadką, jak organizm kompensuje zmiany temperatury w ciągu roku – a nawet gdy przemieszczamy się między letnim upałem na zewnątrz a chłodem klimatyzowanych pomieszczeń.

Zegar biologiczny działa na zasadzie cyklicznych fluktuacji poziomów mRNA – cząsteczek kodujących produkcję białek – które występują, gdy określone geny są rytmicznie włączane i wyłączane. Tak jak ruch wahadła można opisać za pomocą matematycznej fali sinusoidalnej, płynnie wznoszącej się i opadającej, tak rytm produkcji i rozpadu mRNA można przedstawić za pomocą fali oscylacyjnej.

Zespół Kurosawy z RIKEN iTHEMS, wraz z kolegami z Uniwersytetu YITP w Kioto, zastosował metody fizyki teoretycznej do analizy modeli matematycznych opisujących te rytmiczne oscylacje mRNA. W szczególności wykorzystali metodę grupy renormalizacyjnej, potężne narzędzie fizyki, które pozwala na ekstrakcję kluczowych, powoli zmieniających się procesów dynamicznych z układu rytmicznego mRNA.

Analiza wykazała, że wraz ze wzrostem temperatury poziom mRNA wzrastał szybciej i spadał wolniej, ale czas trwania jednego cyklu pozostawał stały. Na wykresie ten rytm w wysokich temperaturach wyglądał jak zniekształcona, asymetryczna fala.

Aby przetestować wnioski teoretyczne na organizmach żywych, naukowcy przeanalizowali dane eksperymentalne dotyczące muszek owocowych i myszy. Rzeczywiście, w podwyższonych temperaturach zwierzęta te wykazywały przewidywane zniekształcenia przebiegu, co potwierdziło poprawność modelu teoretycznego.

Naukowcy doszli do wniosku, że zniekształcenie przebiegu sygnału ma kluczowe znaczenie dla kompensacji temperatury w zegarze biologicznym, a konkretnie dla spowolnienia spadku poziomu mRNA w każdym cyklu.

Zespół odkrył również, że zniekształcenie przebiegu wpływa na zdolność zegara biologicznego do synchronizacji z bodźcami zewnętrznymi, takimi jak światło i ciemność. Analiza wykazała, że przy większym zniekształceniu przebiegu zegar jest bardziej stabilny i mniej podatny na bodźce zewnętrzne.

Ten teoretyczny wniosek pokrywa się z obserwacjami eksperymentalnymi przeprowadzonymi na muchach i grzybach i jest istotny, ponieważ nieregularne cykle światła i ciemności stały się częścią współczesnego życia większości ludzi.

„Nasze wyniki pokazują, że zniekształcenie przebiegu sygnału jest kluczowym elementem dokładności i synchronizacji zegara biologicznego, nawet przy zmianach temperatury” – mówi Kurosawa.

Dodaje, że przyszłe badania mogłyby skupić się na identyfikacji mechanizmów molekularnych, które spowalniają spadek poziomu mRNA i powodują zniekształcenie przebiegu fali. Naukowcy mają również nadzieję zbadać, jak to zniekształcenie różni się między gatunkami, a nawet osobnikami, ponieważ wiek i różnice indywidualne mogą wpływać na funkcjonowanie zegara biologicznego.

„W dłuższej perspektywie” – zauważa Kurosawa – „stopień zniekształcenia przebiegu w genach zegara może stać się biomarkerem dla lepszego zrozumienia zaburzeń snu, jet lagu i wpływu starzenia się na zegar wewnętrzny. Może również ujawnić uniwersalne wzorce rytmów – nie tylko w biologii, ale w każdym systemie z powtarzającymi się cyklami”.