Biologinen kello ylläpitää 24 tunnin sykliä muuttamalla geenien toimintaa lämpimissä olosuhteissa

Japanilaisen RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) -keskuksen tutkijat, jota johtaa Gen Kurosawa, ovat käyttäneet teoreettista fysiikkaa selvittääkseen, kuinka biologinen kellomme ylläpitää vakaata 24 tunnin sykliä, vaikka lämpötila muuttuisi.

He havaitsivat, että tämä vakaus saavutetaan geenien aktiivisuusrytmien "muodon" hienovaraisella muutoksella korkeammissa lämpötiloissa, prosessilla, joka tunnetaan aaltomuodon vääristymänä. Tämä prosessi ei ainoastaan auta pitämään tarkkaa aikaa, vaan se vaikuttaa myös siihen, kuinka hyvin sisäiset kellomme synkronoituvat päivä-yö-syklin kanssa. Tutkimus on julkaistu PLOS Computational Biology -lehdessä.

Oletko koskaan miettinyt, miten kehosi tietää, milloin nukkua tai herätä? Vastaus on yksinkertainen: Kehossasi on biologinen kello, joka käy noin 24 tunnin syklissä. Mutta koska useimmat kemialliset reaktiot nopeutuvat lämpötilan noustessa, on ollut mysteeri, miten keho kompensoi lämpötilan muutoksia vuoden aikana – tai jopa silloin, kun siirrymme ulkoilman kesälämmön ja ilmastoitujen huoneiden viileyden välillä.

Biologinen kello toimii mRNA:n – proteiinin tuotantoa koodaavien molekyylien – tasojen syklisten vaihteluiden perusteella, joita tapahtuu, kun tietyt geenit kytkeytyvät rytmisesti päälle ja pois. Aivan kuten heilurin liike voidaan kuvata matemaattisella siniaallolla, joka nousee ja laskee tasaisesti, mRNA:n tuotannon ja hajoamisen rytmiä voidaan esittää värähtelevällä aallolla.

Kurosawan tiimi RIKEN iTHEMSissä sovelsi yhdessä YITP Kioton yliopiston kollegoidensa kanssa teoreettisen fysiikan menetelmiä analysoidakseen matemaattisia malleja, jotka kuvaavat näitä mRNA:n rytmisiä värähtelyjä. He käyttivät erityisesti renormalisointiryhmämenetelmää, tehokasta fysiikan työkalua, jonka avulla voidaan erottaa keskeisiä, hitaasti muuttuvia dynaamisia prosesseja mRNA:n rytmijärjestelmästä.

Analyysi osoitti, että lämpötilan noustessa mRNA-tasot nousivat nopeammin ja laskivat hitaammin, mutta yhden syklin kesto pysyi vakiona. Kaaviossa tämä rytmi korkeissa lämpötiloissa näytti vääristyneeltä, epäsymmetriseltä aallolta.

Testatakseen teoreettisia johtopäätöksiä elävillä organismeilla tutkijat analysoivat kokeellisia tietoja banaanikärpäsistä ja hiiristä. Korotetuissa lämpötiloissa näillä eläimillä havaittiin ennustettuja aaltomuodon vääristymiä, mikä vahvisti teoreettisen mallin oikeellisuuden.

Tutkijat päättelevät, että aaltomuodon vääristyminen on avainasemassa biologisen kellon lämpötilan kompensoinnissa, erityisesti mRNA-tasojen laskun hidastamisessa jokaisen syklin myötä.

Tutkimusryhmä havaitsi myös, että aaltomuodon vääristymä vaikuttaa biologisen kellon kykyyn synkronoitua ulkoisten vihjeiden, kuten valon ja pimeyden, kanssa. Analyysi osoitti, että suuremman aaltomuodon vääristymän myötä kello on vakaampi ja ulkoiset vihjeet vaikuttavat siihen vähemmän.

Tämä teoreettinen johtopäätös osui yksiin kärpästen ja sienten kokeellisten havaintojen kanssa, ja se on tärkeä, koska epäsäännöllisistä valo-pimeä-sykleistä on tullut osa nykyaikaista elämää useimmille ihmisille.

"Tuloksemme osoittavat, että aaltomuodon vääristymä on kriittinen tekijä siinä, miten biologinen kello pysyy tarkana ja synkronoituna, jopa lämpötilan muuttuessa", Kurosawa sanoo.

Hän lisää, että tuleva tutkimus voisi keskittyä niiden molekyylimekanismien tunnistamiseen, jotka hidastavat mRNA-tasojen laskua ja aiheuttavat aaltomuodon vääristymän. Tutkijat toivovat myös voivansa selvittää, miten tämä vääristymä vaihtelee lajien tai jopa yksilöiden välillä, koska ikä ja yksilölliset erot voivat vaikuttaa biologisen kellon toimintaan.

”Pitkällä aikavälillä”, Kurosawa toteaa, ”kellogeenien aaltomuodon vääristymän aste voisi toimia biomarkkerina unihäiriöiden, aikaerorasitteen ja ikääntymisen vaikutusten sisäiseen kelloon ymmärtämisen parantamiseksi. Se voisi myös paljastaa universaaleja rytmimalleja – ei vain biologiassa, vaan missä tahansa toistuvia syklejä sisältävässä järjestelmässä.”