Biologické rytmy

Martin Sládek, Pavel Houdek, Jihwan Myung, Kateryna Semenovykh, Tereza Dočkal, Alena Sumová. Fluids Barriers CNS. 2024 May 27;21(1):46. doi: 10.1186/s12987-024-00547-3.

Choroidní plexus (ChP), mozková struktura primárně zodpovědná za produkci mozkomíšního moku, obsahuje robustní cirkadiánní hodiny s neznámou funkcí. Využili jsme genetické myší modely (WT, mPer2Luc, ChP-specifický knockout Bmal1) v kombinaci s chirurgickou lézí SCN (SCNx), časově rozlišenou transkriptomikou a bioluminiscenční mikroskopií. Zjistili jsme, že hodiny ChP regulují cirkadiánní sekretom mozkomíšního moku, přesně časují odpověď endoplazmatického retikula na stres a řídí geny podílející se na neurodegenerativních onemocněních. V ChP SCNx myší byly rytmy silně utlumeny ve srovnatelné míře jako u myší s ChP specifickým knockoutem Bmal1; obnovily se opakovanou injikací dexametazonu. Naše data ukazují, že hodiny v ChP řídí expresi tkáňově specifických genů a jsou silně závislé na přítomnosti funkčního spojení s SCN. Výsledky mohou přispět k hledání nové souvislosti mezi narušením hodin v ChP a zdravím mozku.

Obr: A. Schema pokusu. B. Perioda pohybové aktivity u kontrolních myší a myší s SCNx. C. SCN po falešné operaci a po lézi. D. Rytmy v SCNx ChP jsou utlumeny v podobném rozsahu jako rytmy v ChP z tkáňově specifických Bmal1-KO. E. Rytmické geny v kontrolních (vlevo) nebo SCNx (vpravo) vzorcích ChP. F. Fázový histogram genů kontrolních (vlevo) nebo SCNx (vpravo) vzorků ChP. G. Rytmy PER2::LUCIFERÁZY v ROI o velikosti jedné buňky v explantované ChP z kontrolních nebo SCNx myší.

Martin Sládek, Jan Klusáček, Dana Hamplová a Alena Sumová. Sleep 2023 Feb 24, 10.1093/sleep/zsad037. Nejčastějším narušením cirkadiánních rytmů v moderní společnosti je tzv. social jetlag, tedy chronický nesoulad mezi biologickým časem (chronotypem) a sociálním časem (například vstávání podle budíku).

Zda má sociální jetlag nějaké negativní účinky na zdraví, však zatím není zcela jasné. Na základě zkoumání unikátního populačně-reprezentativního souboru dat, zahrnujícího 1957 krevních vzorků analyzovaných na devět biomarkerů, popisujeme statisticky významné souvislosti mezi preferencí spánkových fází (chronotypem), sociálním jetlagem a kardio-metabolickými biomarkery. Identifikujeme nové faktory ovlivňující sociální jetlag a prokazujeme, že flexibilní pracovní doba účinně zmírňuje sociální jetlag.

Karolína Liška , Tereza Dočkal , Pavel Houdek , Martin Sládek, Vendula Lužná , Kateryna Semenovykh , Milica Drapšin and Alena Sumová.

Lithium affects the circadian clock in the choroid plexus – A new role for an old mechanism. Biomedicine & Pharmacotherapy 159 (2023), 114292

Lithium is an effective mood stabilizer used in the treatment of Bipolar Disorder (BD), but the mechanism of its therapeutic action is not well understood. We investigated the effect of lithium on the circadian clock located in the ventricle barrier complex containing the choroid plexus (CP), a part of the glymphatic system that influences gross brain function via the production of cerebrospinal fluid. Using in vivo and ex vivo methods, analyzing clock gene expression and probing cell-signaling pathways of the CP, we demonstrated that lithium strongly affected the circadian clock in the CP. The effect of lithium was not mediated by GSK3b-exclusive mechanism, but rather by modulation of PKC activity. The effects on the CP clock may be involved in the therapeutic effects of lithium and improve brain function in BD patients by aligning the function of the CP clock-related glymphatic system with the sleep-wake cycle. Importantly, our data argue for personalized timing of lithium treatment in BD patients.

Fig: Lithium affects the circadian clock in the choroid plexus independently of GSK3, resulting in time-dependent phase shifts that may affect CSF production, brain function and its therapeutic outcome.

Obr. Mateřské signály řídí rytmicitu v suprachiasmatických jádrech plodu dříve, než se vyvinou jejich molekulární hodiny.
doi:10.1371/journal.pbio.3001637.g005. Naše výsledky poukazují na význam dobře fungujících mateřských biologických hodin při zajišťování rytmického prostředí během vývoje mozku plodu.

Během vývoje suprachiasmatických jader plodu mohou mateřské podněty nahradit chybějící mezibuněčnou síť synapsí a řídit rytmy buněčných populací předtím, než hodiny SCN plně dozrají. Odlišné mateřské signály rytmicky řídí řadu neuronálních procesů v suprachiasmatických jádrech plodu potkana dříve, než začnou fungovat jako centrální cirkadiánní hodiny.

Obr: Příjem potravy během noční aktivity (u potkanů v podmínkách ad libitum) je spojen se synchronizovanými hladinami inzulínu a kortikosteronu v endokrinní a exokrinní části slinivky břišní. Nesoulad při krmení tuto synchronizaci narušuje.
doi:10.1007/s00018-022-04354-7. Nesprávné načasované jídla se stává častým prohřeškem proti životnímu stylu, který souvisí se současným společenským tlakem na chování.

V naší publikaci jsme u laboratorních potkanů a myší prokázali, že zatímco hodiny v endokrinní části slinivky pankreatu se posouvají v závislosti na času příjmu potravy, hodiny v exokrinní části slinivky mohou být nesprávným načasováním potravy vážně narušeny. Naše zjištění otevírají novou cestu pro budoucí výzkum vztahů mezi dlouhodobým cirkadiánním nesouladem a vyšším rizikem rozvoje metabolických onemocnění.

doi:10.1016/j.neuropharm.2021.108455. The paper provides new insights into the modulatory role of endocannabinoid signaling during the light entrainment of the SCN.

Suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus is the master clock that drives circadian rhythms in physiology and behavior and adjusts their timing to external cues. Neurotransmitter glutamate and glutamatergic receptors sensitive to N-methyl-D-aspartate (NMDA) play a dual role in the SCN by coupling astrocytic and neuronal single cell oscillators and by resetting their phase in response to light. Recent reports suggested that signaling by endogenous cannabinoids (ECs) participates in both of these functions. ECs, such as 2-arachidonoylglycerol (2-AG), act via presynaptic CB1 receptors to modulate synaptic activity and affect the SCN response to light-mimicking NMDA stimulus in a time-dependent manner. We demonstrate that circadian clock in the rat SCN regulates expression of 2-AG transport, synthesis and degradation enzymes as well as its receptors. Inhibition of the major 2-AG synthesis enzyme, diacylglycerol lipase, enhances the phase delay and lowers the amplitude of explanted SCN rhythm in response to NMDAR activation. Using PER2 bioluminescence imaging, we show how single cell oscillators reflect the phase response of the whole SCN. Additionally, we present strong evidence that the zero amplitude behavior of the SCN in response to single NMDA stimulus in the middle of subjective night is the result of a loss of rhythm in individual SCN cells. The paper provides new insights into the modulatory role of endocannabinoid signaling during the light entrainment of the SCN.

Fig 1. Explanted SCN from mPer2Luc mouse oscillating in vitro was treated by diacylglycerol lipase inhibitor and NMDA during daytime (left) or in the middle of subjective nighttime (right).

Fig 2. PER2 levels in a single representative neuron from the explants shown in Fig. 2. Red line shows the signal before treatment.

Polidarová, L., Sládek, M., Nováková, M., Parkanová, D. & Sumová, A. Increased Sensitivity of the Circadian System to Temporal Changes in the Feeding Regime of Spontaneously Hypertensive Rats – A Potential Role for Bmal2 in the Liver. PLoS One 8, e75690 (2013).

Spontánně hypertenzní potkan (SHR) je inbrední laboratorní model s řadou metabolických poruch. V předchozí práci jsme ukázali, že u něj také dochází k narušení cirkadiánního systému, které způsobuje předbíhání hodin a desynchronizaci periferních orgánů. V této práci popisujeme zvýšenou citlivost cirkadiánního systému tohoto kmene potkana k časovému omezení příjmu potravy a souvislost této citlivosti s aktivitou genu Bmal2 v játrech.

Denní rytmus proteinu BMAL2 v játrech je u SHR předběhnutý (A, B). Pohybová aktivita před tím, než je dostupná potrava (C), je u SHR výrazně vyšší.

Nováková M, Sládek M, Sumová A. (2013): Human chronotype is determined in bodily cells under real-life conditions. Chronobiol Int. 30(4):607-17. http://informahealthcare.com/doi/abs/10.3109/07420528.2012.754455

Chronotyp je řízený centrálními hodinami uloženými v hypotalamu a je ovlivněný jak geneticky, tak i vnějšími faktory, především světlem. Lidé s rozdílným chronotypem se liší např. v toleranci práce na směny. Zatímco pro extrémně pozdní typy nebývají noční směny zátěží, extrémně ranní typy je snáší obvykle velmi špatně. U ranních směn je tomu naopak. Pro optimální zařazení pracovníka je proto užitečné znát jeho individuální chronotyp. Běžně se chronotyp zjišťuje podle načasování sekrece melatoninu nebo spánku, které je řízeno centrálními hodinami v mozku. V naší práci jsme zjistili, že individuální chronotyp určuje i načasování spínání hodinových genů v buňkách získaných stěrem ústní sliznice, které obsahují tzv. periferní hodiny. Podle individuálního chronotypu je tak načasován komplexně celý časový systém, zahrnující jak centrální tak periferní hodiny. Studie dále prokázala, že analýzu spínání hodinových genů v periferních buňkách lze použít jako ukazatel fáze vnitřních hodin a to i u člověka vystaveného přirozeným světelným podmínkám v běžném životě.

Fázově předběhnutá sekrece melatoninu u časných chronotypů (“skřivanů“) ve srovnání s pozdními chronotypy (“sovami“). (Nováková a spol., Chronobiology International, 2013)

Přestože jsou lidé vystaveni stejným světelným podmínkám, liší se v preferovaném načasování spánku a aktivity.

Sládek, M. & Sumová, A. Entrainment of Spontaneously Hypertensive Rat Fibroblasts by Temperature Cycles. PLoS One 8, e77010 (2013).

Pravidelné denní změny v tělesné teplotě jsou jedním ze signálů sloužících k nastavování cirkadiánních hodin v periferních orgánech. V této práci jsme na modelu izolovaných buněčných kultur z potkanů kmene Wistar a SHR s vloženým luminiscenčním reportérem zkoumali citlivost periferních hodin k nastavování fáze pomocí vnějšího 2.5°C teplotního cyklu. Ukázali jsme, že pouhý dvoudenní teplotní cyklus stačí k obnovení utlumených cirkadiánních rytmů a popsali jsme tzv. křivku fázové odpovědi na teplotní cyklus.

Změna fáze hodin po teplotním cyklu závisí na fázi hodin v okamžiku začátku teplotního cyklu.

Nováková M, Nevšímalová S, Příhodová I, Sládek M, Sumová A. (2012): Alteration of the circadian clock in children with Smith-Magenis syndrome. J Clin Endocrinol Metab. 97(2):E312-8.

Syndrom Smith-Magenis (SMS) je vzácná genetická porucha. Lidé postižení SMS jsou mentálně retardovaní, nedokáží kontrolovat emoce, mají často zhoršený sluch, špatně mluví a mají sníženou citlivost na bolest. Kromě toho tito pacienti trpí vážnými spánkovými problémy a mají významně narušenou regulaci sekrece “spánkového hormonu“ melatoninu. U zdravých jedinců je sekrece melatoninu z epifýzy přesně řízena centrálními hodinami v hypotalamu tak, že hladiny melatoninu jsou ve dne nízké a v noci vysoké. Avšak u SMS pacientů mohou být hladiny melatoninu vysoké ve dne a nízké v noci. Podařilo se nám objasnit, že porucha regulace hladin melatoninu u SMS pacientů nemá původ na úrovni jeho tvorby v epifýze, ale spíše souvisí s poruchou časových signálů vysílaných k epifýze z centrálních hodin v hypotalamu. Výsledek může sloužit jako podklad pro chronobiologickou léčbu některých doprovodných symptomů u pacientů s SMS.

Zatímco u zdravých dobrovolníků má melatonin vysoké hladiny v noci a nízké ve dne (A), u dětí se SMS najdeme nejrůznější poruchy tohoto rytmu (B) (Nováková a spol., J Clin Endocrinol Metab, 2012).