Некоторые телесные действия, например, сон, в основном происходят раз в 24 часа; они следуют циркадному ритму. Другие телесные функции, такие как температура тела, когнитивные функции и кровяное давление, представляют дополнительный 12-часовой цикл, но мало что известно о биологической основе их ритма. Группа ученых из различных учреждений, включая Медицинский колледж Бэйлора, обнаружила, что, помимо 24-часовых часов, млекопитающие и другие организмы имеют 12-часовые часы, которые автономны, работают независимо от 24-часовых часов и могут быть изменены. внешними факторами. Изучение 12-часовых часов важно, потому что измененные 12-часовые циклы связаны с болезнями человека. Исследование опубликовано в Cell Metabolism.
«Наша лаборатория работала над тем, как регулируются 24-часовые циклы, и мы и другие показали, что нарушение этих часов может привести к заболеваниям обмена веществ», - сказал старший автор доктор Берт О'Мэлли, председатель и профессор молекулярной и клеточной биологии, заведующий кафедрой клеточной биологии Томаса С. Томпсона в Медицинском колледже Бейлора. «Например, экспериментальные данные показывают, что работники ночных смен, которые периодически меняют свои ночные и дневные смены, или люди, которые путешествуют за границу, часто меняют свои циклы сна, и это, по-видимому, делает их склонными к набору веса и развитию диабета и других нарушений обмена веществ. может привести к заболеванию. Не рекомендуется регулярно нарушать циркадный ритм."
В дополнение к физиологическим действиям, которые повторяются каждые 24 часа, у млекопитающих и других организмов есть действия, которые повторяются каждые 12 часов. Например, сообщалось, что кровяное давление, температура тела, уровень гормонов и реакция на терапию колеблются в 12-часовых циклах. Кроме того, измененные 12-часовые циклы были связаны с болезнями человека. Другие исследователи определили около 200 генов, которые активируются в 12-часовых циклах. В этом исследовании О'Мэлли и его коллеги намеревались определить, существует ли большее количество 12-часовых генов и соответствуют ли их циклы определению биологических часов, то есть работают ли они автономно и можно ли регулировать их колебания с помощью окружающая среда.
Математика встречается с биологией для определения внутренних часов тела
Доктор. Бокай Чжу, первый автор этого исследования и научный сотрудник лаборатории О'Мэлли, провел биологический анализ, чтобы определить активность тысяч генов мышей во времени. Затем соавтор доктор Клиффорд Даксо, профессор молекулярной и клеточной биологии в Медицинском колледже Бейлора, и соавтор и математик докторАфанасиос Антулас, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Райса, применил математический анализ к этим биологическим данным.
«Мы были удивлены, обнаружив более 3000 генов, которые экспрессировались в 12-часовом ритме. Большая часть этих генов накладывалась на уже известную 24-часовую активность генов», - сказал Чжу.
12-часовые часы автономны и могут быть синхронизированы внешними сигналами
Дальнейшая работа показала, что 12-часовые ритмы генетической активности работают как биологические часы. Они возникают регулярно и автономно в клетках, а их колебания могут быть синхронизированы определенными внешними раздражителями. О'Мэлли и его коллеги обнаружили, что 12-часовые часы не зависят от 24-часовых часов. Когда они экспериментально убрали 24-часовые часы, 12-часовые часы продолжали «тикать». Кроме того, внешние сигналы, которые могут синхронизировать 24-часовые часы, такие как солнечный свет, не влияют на 12-часовые часы.
"Из всех проанализированных нами генов выделялись два набора генов с 12-часовыми циклами: те, которые связаны с контролем качества и процессингом белков, которые в основном происходят в клеточной структуре, называемой эндоплазматическим ретикулумом, и те, которые связаны с энергообеспечением. клетки, которая включает в себя митохондрии», - сказал Чжу. «Активность эндоплазматического ретикулума и митохондрий зависит друг от друга, и мы показали здесь, что 12-часовые гены в эндоплазматическом ретикулуме синхронизированы с 12-часовыми генами в митохондриях, которые обеспечивают энергию, необходимую для обработки белков."
Кроме того, мы обнаружили, что определенные заболевания печени связаны с нарушением 12-часовой экспрессии генов у мышей. Мы ожидаем, что дальнейшее изучение 12-часовых циклов может открыть возможности для улучшения профилактики или лечения заболеваний печень и другие органы в будущем», - сказал О'Мэлли.
Среди других участников этой работы Цян Чжан, Инхун Пан, Эмили М. Мейс и Брайан Йорк. Авторы связаны с одним или несколькими из следующих учреждений: Медицинский колледж Бейлора, Университет Райса, Хьюстонский университет и Институт Макса Планка.