Jak nasz wewnętrzny zegar chroni się przed rozregulowaniem i zaburzeniami snu?

Każdy człowiek ma swój wewnętrzny zegar, który podpowiada, kiedy spać, jeść i się budzić. Dostosowuje się do 24-godzinnego cyklu światła i ciemności, a jego rytm pozostaje taki sam, nawet gdy temperatura otoczenia gwałtownie się waha - od upalnych letnich popołudni do chłodnych klimatyzowanych pomieszczeń. Jak to się dzieje?

Stabilność ta wynika ze zjawiska zwanego kompensacją temperatury, a naukowcy z Japonii być może właśnie odkryli jego mechanizm. Ich obserwacje pokazują, że kształt fal aktywności genów kryje sekret utrzymania prawidłowego funkcjonowania zegara biologicznego niezależnie od temperatury.

Wiadomo, że większość reakcji chemicznych w organizmie przyśpiesza wraz ze wzrostem temperatury - z pewnymi wyjątkami. Jednym z nich jest zegar biologiczny. Jego cykl - około 24-godzinny - pozostaje stabilny. Stoją za tym geny, które się regularnie włączają i wyłączają, sterując wewnętrznym zegarem. Uruchamia to produkcję i rozpad mRNA, czyli cząsteczki, która pomaga w tworzeniu białek. Kiedy geny się włączają, poziom mRNA rośnie, a kiedy wyłączają - poziom spada, i tak codziennie w kółko.

Zespół kierowany przez Gena Kurosawę z RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) wykorzystał model matematyczny o nazwie model Goodwina, aby opisać ten ruch w górę i w dół. Analizując dane, okazało się, że wraz ze wzrostem temperatury zmienia się kształt fali mRNA - spadek jest wolniejszy, a wzrost bardziej stromy. Dzięki temu zegar wewnętrzny rozciąga i ściska fragmenty cyklu, zachowując jednocześnie ten sam ogólny 24-godzinny rytm. Ta subtelna zmiana przebiegu fali odpowiada za prawidłowe tykanie zegara w różnych temperaturach.

To jednak nie wszystko - prócz kompensacji temperatury zegar biologiczny musi być również zsynchronizowany z otaczającym nas światem. Naukowcy dowiedli, że zniekształcenie sygnału wpływa również i na to. Kiedy kształt fali staje się bardziej zakrzywiony, wewnętrzny zegar jest mniej wrażliwy na sygnały zewnętrzne, np. na światło, co pozwala chronić go przed rozregulowaniem przez m.in. późne chodzenie spać.

Dlaczego to takie ważne? Zegar biologiczny wpływa na niemal każdy aspekt naszego życia, od snu i nastroju, po metabolizm i pamięć. Kiedy się rozreguluje, mogą wystąpić problemy, takie jak zaburzenia snu.

- W dłuższej perspektywie stopień zniekształcenia przebiegu falowego w genach zegara może być biomarkerem, który pomoże nam lepiej zrozumieć zaburzenia snu, jet lag i wpływ starzenia się na nasze zegary wewnętrzne - mówi Kurosawa.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie PLOS Computational Biology.