Znajdź zawartość

Zaburzenie rytmu dobowego może prowadzić do problemów ze snem, zwiększa też ryzyko wystąpienia różnych chorób, w tym nowotworów. Pracę zegara biologicznego reguluje zestaw genów, a ich działanie można śledzić, ustalając stężenie matrycowego RNA (mRNA). Dotąd śledzenie ekspresji tych genów było dość trudne, ale dzięki wygodnej, rzetelnej i nieinwazyjnej metodzie japońskich naukowców wszystko powinno się zmienić. Wystarczy kilka włosów z głowy bądź z brody. Makoto Akashi z Yamaguchi University i inni odkryli, że odpowiednia ilość materiału, czyli komórek mieszków, znajduje się w 5 włosach z głowy i 3 z brody. Zespół przetestował technikę na pracownikach zmianowych, którzy na przestrzeni 3 tygodni co 7 dni rozpoczynali tygodniową zmianę nocną bądź dzienną. Okazało się, że choć w każdym tygodniu wzorce snu przesuwały się mniej więcej o 7 godzin, zegar biologiczny cofał się lub przyspieszał co najwyżej o 2 godziny. Jako że rezultaty są obiecujące, wszystko wskazuje na to, iż w przyszłości zgodność prowadzonego trybu życia z własnym zegarem biologicznym będziemy oceniać, oddając do laboratorium pukiel włosów...

Niektórzy palacze marihuany doświadczają czasem zagubienia w czasie. Naukowcom udało się wyjaśnić fenomen tego zjawiska. Okazało się, że kannabinoidy zaburzają wewnętrzny zegar organizmu. Za nasz cykl dobowy odpowiada wewnętrzny zegar kontrolowany przez jądro nadskrzyżowaniowe (SCN). Do regulacji wykorzystuje ono światło, czego nieprzyjemne skutki odczuwamy zmieniając strefy czasowe. Jednak SCN jest w stanie utrzymać rytm dobowy nawet bez dopływu światła. Ludzie czy zwierzęta trzymani w kompletnej ciemności jedzą i śpią o zwykłych porach. Anthony van den Pol z Yale University postanowił sprawdzić, jaką rolę odgrywają, odkryte przed laty w SCN , receptory kannabinoidowe. W tym celu wraz z zespołem umieścił 42 myszy w ciemności. Zwierzęta przebywały tam przez dwa tygodnie, co doprowadziło do synchronizacji ich rytmu dobowego. Fazy aktywności i jej braku trwały po 12 godzin. Po dwóch tygodniach część klatek oświetlono wkrótce po tym, jak zamknięte w nich myszy rozpoczęły fazę aktywną. Gryzonie te prowadzą nocny tryb życia, więc oświetlenie klatek spowodowało, że zamknięte tam zwierzęta weszły w fazę aktywną o 2 godziny później, niż myszy z klatek nieoświetlonych. Jednak okazało się, że myszy do mózgów których przed oświetleniem wstrzyknięto kannabinoidy, rozpoczęły aktywną fazę z 1-godzinnym opóźnieniem w stosunku do myszy z klatek nieoświetlanych. Uwidoczniono więc różnicę spowodowaną działaniem podanych alkaloidów. Uczeni następnie postanowili przyjrzeć się bezpośrednio komórkom SCN. Gdy na płytce Petriego komórkom podano kannabinoidy, neurony zwiększyły swoją aktywność aż o 50%. To najprawdopodobniej wpływa na rytm dobowy u myszy, jak i u człowieka. Kannabinoidy wprowadzają neurony SCN w błąd, powodując ich niewłaściwą aktywność. Zdaniem naukowców podobny wpływ mają najprawdopodobniej też inne substancje uzależniające.

W organizmie człowieka wiele procesów życiowych, m.in. sen, produkcja hormonów czy regulacja temperatury ciała, przebiega w rytmie dobowym. Te genetycznie zaprogramowane wzorce działają nawet pod nieobecność następujących po sobie dni i nocy, a występują u niemal wszystkich organizmów. Naukowcy z MIT-u i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD) odkryli ostatnio, że u sinic rytmy dobowe określają tempo podziałów komórkowych. Sinice, zwane również cyjanobakteriami, prowadzą fotosyntezę, dlatego są bardziej aktywnie w ciągu dnia, a nocą przechodzą fazę spoczynku. U organizmów wielokomórkowych podział komórek jest niezbędny dla odnowy i naprawy uszkodzeń, ale niekontrolowane namnażanie prowadzi do nowotworów. Z tego powodu zrozumienie, jak komórki się dzielą, ma fundamentalne znaczenie – tłumaczy Susan Golden, profesor biologii molekularnej z UCSD. Dwanaście lat temu Golden i inni zidentyfikowali u sinic 3 białka regulujące zegar biologiczny. Istniały pewne dowody, że rytm okołodobowy kontroluje podziały komórkowe, ale nie było wiadomo, jaki dokładnie charakter ma ta zależność. Obecnie zespół pracujący pod kierownictwem prof. Alexandra van Oudenaardena z MIT-u stwierdził, że w stałym świetle o umiarkowanym natężeniu cyjanobakterie dzielą się średnio raz dziennie, a podziały mają miejsce głównie w połowie 24-godzinnego cyklu. Naukowcom udało się przyspieszyć dzielenie, wzmagając intensywność oświetlenia. W takich warunkach komórki nasilały fotosyntezę, co pozwalało im uzyskać większą ilość energii. Zaczynały się dzielić częściej, ale nadal w powiązaniu z zegarem biologicznym: w jednej czwartej i trzech czwartych cyklu. Amerykanie zauważyli, że we wszystkich warunkach po ok. 19 godzinach sinice wchodziły w fazę spoczynku. Akademicy przez tydzień śledzili rytmy dobowe pojedynczych komórek. Udało się to dzięki oznaczeniu protein zarządzających zegarem biologicznym żółtym fluorescencyjnym białkiem. W ten sposób w 24-godzinnym cyklu można było ustalić pozycję każdej komórki. Dodatkowo co 40 min komórki fotografowano, naukowcy wiedzieli więc, kiedy się dzieliły. Technika monitorowania pojedynczych komórek pozwoli w przyszłości ujawnić związki między rytmem okołodobowym a innymi cyklicznymi procesami komórkowymi, np. metabolizmem. Prof. Golden planuje dalsze eksperymenty na sinicach, jednak van Oudenaarden wspomina także o drożdżach i komórkach ludzkich. Wcześniej profesorski tandem opisał mechanizm molekularny, za pośrednictwem którego białka zegara biologicznego cyjanobakterii (KaiA, KaiB i KaiC) kontrolują cykl komórkowy. Okazało się, że regulują one aktywność czwartego białka FtsZ, nie dopuszczając do jego przemieszczania w okolice płaszczyzny równikowej i utworzenia pierścienia.

Choć fototerapia, czyli leczenie intensywnym światłem, jest jedną z najskuteczniejszych metod leczenia objawów depresji, okazuje się, że nadmierna ekspozycja na światło może wywołać efekt dokładnie odwrotny od zamierzonego. Przekonali się o tym naukowcy z Ohio State University. Eksperyment, prowadzony pod okiem magistrantki Laury Fonken, przeprowadzono na 24 myszach. Zwierzęta podzielono na dwie grupy. Pierwszą z nich przetrzymywano w warunkach ciągłej ekspozycji na światło, zaś w klatkach zamieszkiwanych przez pozostałe zwierzęta po 16 godzinach naświetlania lampy wyłączano na 8 godzin. Dodatkowo każdą grupę podzielono jeszcze raz na pół. Klatki mieszczące zwierzęta należące do pierwszej podgrupy wyposażono w przezroczyste rurki pełniące funkcję legowiska i sypialni, zaś zwierzęta z drugiej podgrupy otrzymały podobny ekwipunek, lecz dodatkowo, dzięki brakowi przezroczystości, zapewniał on możliwość ucieczki przed światłem. Po trzech tygodniach od rozpoczęcia eksperymentu przeprowadzono testy behawioralne. Jak się okazało, myszy stale eksponowane na światło i niemające szansy na ucieczkę przed nim wykazywały liczne objawy depresji. Co ciekawe, u "zdołowanych" myszy stwierdzono obniżenie (a nie podwyższenie, jak ma to miejsce u ludzi) poziomu kortykosteronu - jednego z tzw. hormonów stresu. Badacze znaleźli jednak wytłumaczenie tego zjawiska. Po pierwsze, badane gryzonie niemal nie spały, zaś w normalnych okolicznościach poziom kortykosteronu podnosi się dopiero po przebudzeniu. Po drugie, myszy są zwierzętami nocnymi, przez co schematy wydzielania hormonów mogą być u nich zupełnie inne, niż u ludzi. Po trzecie wreszcie, długotrwała ekspozycja na nietypowe warunki mogła sprawdzić, że organizmy zwierząt przyzwyczaiły się do nietypowych warunków, przez co sygnał zagrożenia w postaci kortykosteronu nie był potrzebny. Przeprowadzony eksperyment potwierdza po raz kolejny, że opanowanie przez ludzi umiejętności wytwarzania światła, choć jest nieodzownym elementem cywilizacji, może mieć także swoje wady. Dokładne zrozumienie zaburzeń powstających w związku z zaburzeniem rytmu dobowego może na szczęście pomóc w leczeniu ich konsekwencji.

Alkohol rozregulowuje ludzki rytm dobowy i to m.in. z tego powodu osobom z kacem trudno się podnieść rano z łóżka. Przepicie powoduje, że organizm nie reaguje na ważne wskazówki świetlne, np. wschód słońca, aby podtrzymać naturalny dla niego cykl snu i czuwania (American Journal of Physiology). Doktor Christina Ruby z Kent State University przeprowadziła eksperyment z 3 grupami chomików, które prowadzą co prawda nocny tryb życia, ale podobnie jak my, mają zegary biologiczne regulowane za pomocą światła. Chomiki upijano w różnym stopniu i wystawiano na oddziaływanie jasnego i przyćmionego światła. Zwierzęta upijano, dodając alkohol do wody. Grupa kontrolna dostała czystą wodę, a pozostałe dwie wodę z dodatkiem 10% i 20% alkoholu. Kiedy gryzoniom pozostawiano wybór, wolały alkohol, który szybko metabolizowały. Zwierzęta mogły pić, ile chciały i żyły w laboratoryjnym środowisku, zapewniającym 14 godz. światła i 10 godzin ciemności na dobę. Badacze utrwalali aktywność przedstawicieli wszystkich 3 grup. Pod koniec cyklu ciemnego, mniej więcej 3 godz. przed czasem, gdy zwierzęta nocne zwykle kładą się spać, Amerykanie włączyli na pół godziny przyćmione światło (przypominające świt). Innym razem uruchomili jaśniejsze światło, takie jak to spotykane w biurach. Chomiki, które pod koniec cyklu aktywności zetknęły się ze światłem, powinny położyć się spać o tej samej porze, co zwykle, lecz zbudzić się nieco wcześniej. Taki zabieg oznacza przesunięcie wskazówek zegara biologicznego do przodu. Poza wymienionymi wyżej czynnikami, biolodzy śledzili też czas, po jakim alkohol docierał do głównego zegara w mózgu, czyli parzystego jądra nadskrzyżowaniowego (SCN, suprachiasmatic nuclei). Regularnie oceniali podskórny poziom alkoholu, który jest podobny do stężenia we krwi. Pod koniec eksperymentu chomiki pojone alkoholem przestawiono na czystą wodę, by ocenić skutki abstynencji. Chomikom, które piły alkohol, trudniej było się dostosować do zmian rytmu dobowego po włączeniu stłumionego światła, a im więcej procentów pochłonęły, tym większe miały kłopoty. Po włączeniu przyćmionego światła zwierzęta pijące wyłącznie wodę wstawały o 72 min wcześniej niż zwykle. Grupa z niższą dawką alkoholu podrywała się z legowiska o 30 min wcześniej, a grupa z największą tylko o 18 min wcześniej. Ekspozycja na jasne światło pomogła gryzoniom spożywającym alkohol obudzić się wcześniej, co zmniejszyło różnice w czasie wstawiania między grupami. Zwierzęta kontrolne wstały 102 min wcześniej niż zwykle, a osobniki z grupy pijącej wodę zmieszaną z 20% alkoholu 84 min wcześniej. Czas spędzany aktywnie w ciągu doby był we wszystkich grupach taki sam. U chomików spożywających alkohol występowało jednak mniej dłuższych skoków aktywności, a w grupie kontrolnej więcej krótszych. Zwierzęta piły najmocniej na samym początku cyklu ciemnego, kiedy naturalnie powinny być najbardziej aktywne. Alkoholowy szczyt docierał do jądra nadskrzyżowaniowego po 20 min. Amerykanie uważają, że chroniczne picie wpływa na ludzkie wzorce aktywności, przez co alkoholicy stają się mniej aktywni w ciągu dnia, a pobudzeni, gdy nie powinni, czyli późną nocą. Przywrócenie prawidłowego działania zegara biologicznego może być bardzo trudne, co stanowi jedną z przyczyn, dla których alkoholicy często wracają do nałogu. Tym bardziej że zaburzone okresy aktywności powodują, iż niepijący alkoholik nie jest w stanie wydajnie pracować w dzień ani dobrze odpoczywać w nocy. Co ciekawe, zauważono, że rytm dobowy pozostaje zaburzony jeszcze po 24 godzinach od konsumpcji alkoholu. Ratunkiem może być tutaj poranna ekspozycja na jasne światło, które niweluje zaburzenia spowodowane alkoholem. Profesor David Glass, który współpracował z dr Ruby, uważa, że alkohol nie dopuszcza, by informacje związane ze światłem w ogóle dotarły do mózgu, a to dane kluczowe dla dziennej aktywności. Ponieważ ciało nie jest w stanie określić godziny, nie może prawidłowo funkcjonować.

Międzynarodowy zespół badaczy twierdzi, że sposobem na ograniczenie rozwoju cukrzycy typu 2 może być pokonanie problemów ze... snem. O swoim odkryciu donoszą na łamach prestiżowego czasopisma Nature Genetics. Cukrzyca typu 2 od wielu lat uznawana jest za chorobę cywilizacyjną, czyli uciążliwą dla całych pokoleń pacjentów i istotną dla całego społeczeństwa. W krajach rozwiniętych cierpi na nią ok. 10% populacji, nie dziwi więc fakt, że poszukiwanie nowych metod zapobiegania jej powstawaniu jest jednym z priorytetowych tematów badań z zakresu medycyny. Naukowcy z całego świata poszukują skutecznych sposobów ograniczania szkodliwego wpływu cukrzycy na organizm. Tym razem, dzięki serii testów przeprowadzonych na grupie ponad 20000 pacjentów dowiadujemy się, że jedna z mutacji w genie MTNR1B jest silnie związana z podwyższeniem poziomu glukozy we krwi, przez co ryzyko zapadnięcia na cukrzycę typu 2 wzrasta aż o jedną piątą. Białko kodowane przez gen MTNR1B jest elementem systemu przekazującego sygnały docierające do komórek dzięki melatoninie - najważniejszemu hormonowi odpowiadającemu za rytm snu i czuwania oraz przyjmowania posiłków. Dzięki najnowszym badaniom dowiadujemy się, że wadliwe działanie tego układu może powodować nie tylko zaburzenia rytmu dobowego, lecz także cukrzycę. Jeden z badaczy biorących udział w projekcie, prof. Philippe Froguel z Wydziału Genomiki należącego do Imperial College London, opisuje istotę dokonanego odkrycia: już teraz istnieje sporo badań sugerujących, że istnieje związek pomiędzy zaburzeniami snu oraz schorzeniami takimi jak otyłość i depresja, z których oba są związane z cukrzycą. Przykładowo, wiemy że otyłe dzieci często mają problemy ze snem, a także, że ludzie popadają w otyłość, gdy nie śpią dostatecznie długo. Nasze studium pokazuje, że nieprawidłowości rytmu dobowego mogą częściowo powodować cukrzycę i powyższony poziom cukru we krwi. Mamy nadzieję, że ostatecznie dostarczy to nowych metod leczenia ludzi. Dzięki przeprowadzonym badaniom zebrano informacje, które pozwalają na obliczenie ryzyka zapadnięcia na cukrzycę w zależności od liczby mutacji wykrytych w niektórych genach. Istnieje więc nadzieja, że już niedługo możliwa będzie indywidualna ocena prawdopodobieństwa zachorowania i podjęcie wczesnej profilaktyki schorzenia u osób szczególnie zagrożonych jego rozwojem.

Niektórzy świetnie radzą sobie z wykonywaniem wielu zadań jednocześnie, a inni nie potrafią tego robić. Najnowsze badania wykazały, że zdolność do "wielozadaniowości” jest mocno powiązana z porą dnia. Okazuje się, że wszyscy mamy z nią problem wczesnym rankiem i późną nocą. Wynika to z rytmu dobowego człowieka. Nie od dzisiaj wiadomo, że wydajność naszego organizmu zaczyna spadać wieczorem i spada przez całą noc. Dlatego też najmniej wydajni jesteśmy wczesnym rankiem. Daniel Bratzke z Uniwersytetu w Tybindze postanowił sprawdzić, co powoduje ten spadek wydajności. W przeciwieństwie do uczonych, którzy próbowali dowiedzieć się tego wcześniej, Bratzke badał tylko pewne aspekty sposobu w jaki przetwarzamy czekające nas zadania. Argumentował, że skupianie się na całościowym obrazie tylko go zaciemnia. Bratzke przyjrzał się sposobom służącym ludziom do zmagania się z zadaniami. Podejście do rozwiązania problemu można podzielić na trzy etapy: percepcyjny, decyzyjny i motoryczny. Biorąc pod uwagę ten szeroko akceptowany model, trzeba zadać sobie pytanie: czy pora dnia wpływa na wszystkie etapy procesu, czy tylko na część z nich. Wiadomo na przykład, że w ciągu doby zmienia się ludzki czas reakcji. Jest on zależy od co najmniej dwóch czynników: percepcyjnego (im bardziej jesteśmy zmęczeni w ciągu dnia, tym wolniej wykrywamy i identyfikujemy bodźce wzrokowe) oraz motorycznego (zręczność ruchu, jego siła, prędkość i precyzja także ulegają zmianom – najwyższe są zwykle późniejszym popołudniem, najniższe – wczesnym rankiem). Bratzke wysunął teorię, że spadek wydajności naszego organizmu najbardziej związany jest z dobowymi zmianami w środkowym etapie – decyzyjnym. Jego zdaniem może on w znacznym stopniu wpływać na to jak dokładnie i szybko jesteśmy w stanie wykonać stojące przed nami zadania. Wraz z kolegami poddał obserwacji 6 osób, którym nie pozwolono spać przez 28 godzin. W tym czasie co dwie godziny musiały one rozwiązywać różne zadania badające ich zdolności poznawcze. Badania te wykazały, że to właśnie czas podejmowania decyzji zaczyna się znacznie wydłużać późnym wieczorem i stan taki trwa do wczesnego ranka. Bratzke do monitorowania rytmu dobowego badanych wykorzystał badanie poziomu melatoniny w ślinie oraz sprawdzanie temperatury ciała. Dowiedział się w ten sposób, że na otrzymane wyniki wpłynęło nie tylko pozbawienie badanych snu. Rytm dobowy ma więc wpływ na przykład na decyzje podejmowane podczas jazdy samochodem. Gdy obserwujemy drogę, słuchamy radia i mamy nacisnąć hamulec, to, w zależności od pory dnia, naciśniemy go szybciej lub wolniej.

Zegar biologiczny ukryty w komórkach skóry może ujawnić, czy nasz tryb życia jest dopasowany do jego wskazań. Wystarczy więc przeprowadzić biopsję i już wiadomo, czy dana osoba cierpi na zaburzenia snu lub rytmu dobowego i kim jest: sową czy skowronkiem. Zespół profesora Stevena Browna z Grupy Chronobiologii i Badań Snu Uniwersytetu w Zurychu opierał się na spostrzeżeniu, że podwzgórze (a konkretnie znajdujące się w nim jądra nadkrzyżowaniowe) działa jak centralny zegar, z którym synchronizują się zegary pojedynczych komórek. Wiadomo było, że w wyniku jego działania ich gen Bmal1 staje się bardziej aktywny w ciągu dnia. Aby sprawdzić, w jakim stopniu jedno zależy od drugiego, Szwajcarzy pobrali komórki skóry od 11 skowronków i 17 sów. Następnie wykorzystali wirusy, by wyposażyć je w gen świetlika umożliwiający świecenie. Dzięki temu komórki skóry zaczynały się jarzyć, gdy tylko Bmal1 stawał się aktywny. W rezultacie wydobywające się z nich światło zmieniało się w rytmie dobowym. Monitorując czas świecenia, naukowcy wykazali, że co najmniej u połowy wolontariuszy wzorce snu-czuwania komórek skóry były identyczne z opisami uzyskanymi po wypełnieniu kwestionariuszy. Zaobserwowano też istnienie rozbieżności. Dotyczyło to zwłaszcza 3 osób z sezonowymi zaburzeniami afektywnymi, czyli inaczej mówiąc, depresją sezonową (Proceedings of the National Academy of Sciences). Komórki skóry od osób wstających bardzo wcześnie świeciły najkrócej, a te pobrane od zwlekających się z łóżka najpóźniej jarzyły się dla odmiany najdłużej. Profesor Brown zachwyca się tym, że badając komórki z peryferii, można uzyskać wgląd w to, co dzieje się w mózgu...