John Hogenesch: „Nejdůležitějším rytmem je podle počtu zúčastněných genů rytmus dvanáctihodinový. Je to logické, poněvadž právě on předpovídá nástup soumraku a svítání, a to jsou dva skutečně stresující přechody, které prochází naší myslí i tělem. Kdo měl malé děti, ví o čem hovořím. Čas nastupující noci a rozbřesku jsou časové úseky, ve kterých děti často brečí. A my často brečíme s nimi.“

Rytmicita
Kdo se domnívá, že jsme stále stejní, měl by svůj názor rychle změnit, neboť v organismech téměř vše probíhá rytmicky. Některé pochody probíhají na úrovni celého organismu, jiné zase na úrovni tkáně či buňky, případně biochemické reakce. Celou řadu period známe.
Nejznámější je cirkadiální rytmus. Jde o 24hodinový cyklus, v němž se mění aktivita genů, jimiž se řídí a koordinují fyziologické procesy regulující například krevní tlak, teplotu těla, pohybovou aktivitu a specifické rysy chování.
Kromě zmíněného cirkadiálního rytmu najdeme u savců i mnohem kratší periodicity v životních cyklech. Jejich příkladem je činnost srdce. Takovým krátkým rytmům se někdy říká ultradiální. Jsou ale i delší cykly, než je cirkadiální cyklus. Jejich představitelem může být menstruační cyklus. Tak dlouhým cyklům se někdy říká infradiální.

Zvětšit obrázek

Časový průběh exprese genů během 24, 12 a 8hodinové periody. Světlá žlutá barva reprezentuje vysokou genovou expresi (dvakrát vyšší, než jsou hodnoty mediánu). Jasná modř představuje nízkou expresi (pod 50 %). Maximální exprese u genů podléhajících 24hodinovému cyklu vykazuje téměř rovnoměrné rozložení během dne. Největší genové exprese u kratších rytmů se vztahují k určitým specifickým časům každého dne. (Kredit: Michael Hughes, PhD, University of Pennsylvania School of Medicine)

Vědci ze Salkova ústavu a Pensylvánské univerzity nyní zjistili, že řada genů se zapíná jednou za 12 nebo 8 hodin. To znamená, že i kratší rytmy, než výše jmenovaný známý rytmus připravující organismus na střídání noci a dne, jsou rovněž biologicky kódovány.

Centrální řízení cyklů

Biologické hodiny si můžeme představit jako zařízení, které genům určuje, kdy musí pracovat a kdy se na to mohou vybodnout. Ústředím cirkadiálních rytmů jsou dva shluky neuronů v hypotalamu. Říká se jim suprachiasmatická jádra (SCN). Jde o hlavní „stroj času“, určující rytmické chování a fyziologické děje v organismu. Pokyny pro oscilaci dějů se přenáší nervovou i humorální cestou. Mezi řízené cykly patří i nejsledovanější cirkadiální rytmus pohybové aktivity. Říká se mu rytmus  spánku a bdění. Savci se podle něj dělí na denní a noční živočichy. Souvisí s tím i rytmy tělesné teploty, s minimem v době spánku a maximem v době bdění. Největší změny v cirkadiálním rytmu vykazuje tvorba hormonu melatoninu. U myší, které patří k nočním živočichům, se jeho koncentrace v noci zvyšuje v řádech.

Periferní řízení cyklů
Většina tělních tkání má svoje vlastní „hodinky“. Fungují nezávisle na těch centrálních a určují rytmus buněk i tehdy, když jsou od vlastního těla odděleny. Oba systémy, buněčný (periferní) a centrální, se spolu domlouvají. Ústředí (SCN) svoji periferii koriguje pomocí takových signálů, jakými jsou  například produkce glukokortikoidu,  cyklického adenosinmonofosfátu a dalších proteinů. Výsledkem je hormonální a metabolický koncert. Kdybychom zůstali u parafrází, jsou za dirigentským pultem ony zmíněné cirkadiální rytmy, ať už ty dané centrem, nebo autonomní periferií, a v „orchestřišti“ je spousta genů, které „hrajou“, jak se jim řekne. Aby si vědci udělali jasno v tom, jak velká část ze savčích genů oněm cirkadiálním rytmům podléhá, rozhodli se prověřovat jejich denní a noční aktivity. Získání co nejlepších výsledků znamenalo odebírat vzorky tkání ze živého organismu. Jejich oběťmi se staly myši. Obdobné pokusy se již dělaly, nikdy ne ale sledováním aktivity tak rozsáhlého počtu genů. Dosud nikdo také neodebíral živým myškám jejich jaterní buňky každou hodinu po dobu 48 hodin. Krutost metodiky v nás může vzbuzovat lecjaké pocity, nicméně právě tento přístup umožnil odhalit dosud netušené věci.

Zvětšit obrázek

Detailní analýza odhalila cirkadiální a sub-cirkadiální rytmy. Periody rytmických pochodů spojených s přepisem „probuzených“ genů, dokládá histogram. Shluky aktivních genů mají různé periodicity: 24hodinovou (>20 a <30 hod), 12hodinovou (>10 a <14 hod) a 8hodinovou (>7 a <9 hod). (Kredit: Michael Hughes, PhD, University of Pennsylvania School of Medicine)

Nové poznatky
Část poznatků se týká cirkadiálního rytmu. Ukázalo se, že 24hodinovým cyklem je řízeno desetkrát více genů, než kolik se dosud uvádělo. Je to také poprvé, co se na živém zvířeti podařilo zjistit jiná, než 24hodinová biologická periodicita v expresi genů.
Všeobecným překvapením jsou poznatky týkající se dvanácti- a osmihodinových cyklů. Vědci za to vděčí právě výše zmíněnému častému odběru vzorků, který umožnil monitorovat změny v aktivitě genů po hodinách. Počítání svítících bodů na mikročipech (Microarray) vydalo svědectví o tom, že na 48 hodinovém cyklu se „přiživuje“ více než 3000 genů. Jsou to tedy zhruba 4% všech genů, které se na bezchybném fungování savčích jater podílí.
Kromě zmíněných tří tisíc genů se v játrech vyskytuje dalších 260 genů, které pro změnu podléhají dvanáctihodinovému cyklu. Nejméně genů (63) pak „jede“ podle itineráře osmihodinového cyklu.

Vědci nezkoumali pouze játra. Posvítili si také na pět dalších tkání. I pro ně se dvanáctihodinový rytmus ukázal být tím rozhodujícím. Harmonicky řízené zapínání a vypínání genů (jemuž odborníci učeně říkají: posun v genové expresi) organismům pomáhá provést potřebné fyziologické změny včas (nebo chcete-li s určitým předstihem), aby byl jako celek přeorientován na jiné vzory chování, reflexy,… tak, aby vše odpovídalo příslušné denní době. Že jde o mechanismus poskytující zvýšené šance na přežití, je zbytečné rozvádět.

Soudě podle počtu zapínaných a vypínaných genů jsou myši (savci) osmihodinovým rytmem ovládáni výrazně méně. Ale již samotný fakt, že takový osmihodinový rytmus existuje, znamená, že nějaký biologický význam má. Zatím bohužel přesně nevíme jaký.

Zvětšit obrázek

Za normálních okolností se myši většinou krmí během noci. Maximum příjmu krmiva mají při rozednění. Jeden z genů při krmení, adlibitum, které takovou normální situaci má imitovat, vykazuje gen dva vrcholy své aktivity během 48 hodinového cyklu (červeně). Poté, co vědci zavedli myším omezené krmení (myši se dostaly k potravě jen po dobu 8 hodin a to v době, ve které normálně potravu nepřijímají), se aktivita sledovaného genu změnila. Místo toho, aby se „zapínal“ dvakrát za den, začal být aktivní pouze jednou za den. (Kredit: Michael Hughes, PhD, University of Pennsylvania School of Medicine)

Souběžně s pokusy sledujícími aktivitu genů u živého zvířete dělali vědci také pokusy na jaterních buňkách pěstovaných v tkáňové kultuře. Tedy na buňkách, které nebyly v žádném kontaktu s tělem. Sledováním tvorby RNA od předem vytipovaných genů vyšlo najevo, že buňky pěstované na Petriho misce vykazují pouze 24 hodinové cykly, nikoli kratší. To lze vysvětlit tím, že některé cykly jsou řízeny na úrovni celého organismu - systémově a jiné zase pouze na místní buněčné úrovni. Jako by ty kratší cykly řídilo centrum v hypotalamu, zatímco ten 24 hodinový cyklus si každá buňka řídí podle svých „osobních hodinek“.

Další poznatek, který vědci při tomto pokusu získali, se týká příjmu potravy. Myši například sežerou 20% své denní dávky právě v době šera, krátce po probuzení. Činí tak i tehdy, když mají k žrádlu trvalý přístup. Odpovídá tomu i jeden ze dvou vrcholů genových aktivit. Když ale vědci myším adlibitní přístup k potravě zrušili a čas na krmení smrskli jen na krátkou dobu, jeden z dvanácti hodinových vrcholů genové aktivity vymizel. To ukázalo na fakt, že krmení má pod palcem dvanáctihodinový cyklus.

Vysoká frekvence odběru vzorků umožnila získat přesnější obraz o tom, které geny jakým cyklům podléhají. Předchozí největší pokus zaměřený na zjišťování genů řízených cirkadiálním rytmem zahrnoval 400 až 500 genů. Tento pokus ukázal, že genů s cyklickou aktivitou je mnohem více, než jsme soudili. Jen v játrech se jich pravidelně zapíná a zase vypíná na tři tisíce. Buňky slinných žláz ale mají takových genů desetkrát méně. Autonomní záležitosti na úrovni buňky jsou na tom ještě o jeden řád hůře. Co do počtu cyklicky řízených genů jde jen o desítky.
Vědci si myslí, že některé z těchto poznatků, jež byly nyní publikovány v PLoS Genetics, přispějí také k  pochopení poruch normálních cirkadiálních rytmů. Jejich „rozhádání“ je častou příčinou metabolických poruch. Cykly genových aktivit totiž souvisí také se stárnutím a dokonce i s některými typy zhoubného bujení.ˇ

Pramen: PLoS Genetics, 2009; 5 (4) e1000442 DOI: 10.1371/journal.pgen.1000442