Sponsorzy
Generic selectors
Exact matches only
Search in title
Search in content
Search in posts
Search in pages
Filter by Categories
Aktualności
Artykuły
Czasopismo Neuropedia
Kontakt
Ludzie i instytucje
Neuro-rynek
Neurofeedback
Neuroplastyczność
Ośrodki neuronaukowe w Polsce
Przepisy prawne dotyczące badań naukowych
Słownik
Układy zmysłowe
Wielcy polscy neurofizjolodzy
Zegar biologiczny
Zwierzęce modele w neuronauce

Zegar biologiczny


Autor: prof. dr hab. Marian H Lewandowski, Uniwersytet Jagieloński


Print Friendly, PDF & Email

Zegar biologiczny jest ewolucyjnie wykształconym mechanizmem organizmów żywych, który generuje ich rytmy biologiczne, a także, co jest bardzo ważne, synchronizuje je do cyklicznie zmieniających się warunków środowiskowych.

U ssaków, w tym także u człowieka zlokalizowany jest w mózgowiu. Budują go wzajemnie, funkcjonalnie powiązane z sobą neuronalne struktury (jądra). Najważniejszym jego elementem są jądra nadskrzyżowaniowe podwzgórza (suprachiasmatic nuclei – SCN). Jest to bardzo mała (u człowieka zaledwie kilka dziesiątych milimetra sześciennego) parzysta struktura umieszczona głęboko w mózgu z przodu podwzgórza, tuż nad skrzyżowaniem nerwów wzrokowych w okolicach komory trzeciej mózgowia. Buduje ją kilkanaście tysięcy małych komórek nerwowych o bardzo rozbudowanej strefie dendrytycznej, które charakteryzuje spontaniczna rytmiczna aktywność o dużej częstotliwości w ciągu dnia i niskiej nocą. Cechą charakterystyczną, odróżniającą SCN od innych elementów neuronalnego mechanizmu zegara biologicznego jest możliwość generowania przez te jądra spontanicznej rytmicznej aktywności po ich wyizolowaniu z mózgowia, w warunkach in vitro (Moore i wsp. 2002). Ta właściwość jest podstawą do nazywania jąder nadskrzyżowaniowych podwzgórza, głównym i jedynym generatorem rytmów biologicznych. Zniszczenie SCN, czy zablokowanie ich aktywności neuronalnej, powoduje desynchronizację wielu procesów rytmicznych. Aktywność rytmiczna SCN ma charakter endogenny i jest genetycznie determinowana poprzez obecność genów zegarowych. Mechanizm molekularny zegara biologicznego opiera się na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym produkt końcowy, białko period (PER) (period – PER), hamuje swój jądrowy proces transkrypcji. Ten wewnątrzkomórkowy obrót pętli procesu transkrypcji i translacji zamka się w rytmie okołodobowym (cirkadialnym z łac. circa dies), czyli okresie trwającym około 24 godziny (Takahashi i wsp. 2008).

Głównym zewnętrznym czynnikiem (tzw. dawcą czasu – Zeitgeberem z niem.), wpływającym na pracę zegara biologicznego jest światło. Synchronizuje ono jego rytm do powtarzającego się regularnie cyklu dnia i nocy, będącego konsekwencją obrotu Ziemi dokoła własnej osi (rytmy okołodobowe), jak też zmieniającej się długości dnia i nocy, wynikającej z obrotu Ziemi dookoła słońca (rytmy sezonowe). Brak tego regularnego cyklu światło – ciemność (np. stała ciemność), powoduje dominację endogennego mechanizmu aktywności zegara biologicznego, który objawia się tzw. rytmem swobodnie biegnącym (free running rhythm). Natomiast, zmiana fotoperiodu (przesunięcie cyklu światło – ciemność), przesuwa okres rytmu, synchronizując go do nowych warunków świetlnych. Zjawisko rytmu swobodnie biegnącego wykorzystywane jest w badaniu wpływu różnych czynników, w tym także farmakologicznych na organizm. Przyśpieszenie lub opóźnienie fazy rytmu swobodnie biegnącego po podaniu badanego związku w odpowiednich porach doby określa okołodobową wrażliwość organizmu na ten czynnik. Może być ona wykreślana przy pomocy tzw. krzywej odpowiedzi fazowej (phase response curve – PRC), głównego narzędzia badawczego w chronobiologii.

Światło synchronizujące zegar biologiczny, odbierane jest przez nieliczną grupę (u człowieka 0.2-0.8%) komórek zwojowych siatkówki bezpośrednio reagujących na światło (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells – ipRGC). Komórki te zwierają barwnik melanopsynę i bezpośrednim połączeniem monosynaptycznym na drodze siatkówkowo-podwzgórzowej (retinohypothalamic tract – RHT) unerwiają SCN, a także inne neuronalne elementy mechanizmu zegara biologicznego ssaków. ipRGC są zatem głównymi komórkami światłoczułymi zegara biologicznego, za pośrednictwem których synchronizowany jest jego rytm, a melanopsyna nazywana jest barwnikiem okołodobowym (circadian photopigment) (Lucas i wsp. 2012). W komunikacji nerwowej między komórkami melanopsynowymi i neuronami SCN bierze udział glutaminian, polipeptyd aktywujący przysadkową cyklazę adenylową (pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide – PACAP) i neuropeptyd P (Hannibal, 2002).

Światło nie jest jednak jedynym synchronizatorem zegara biologicznego. Oprócz niego istnieją inne, określane jedną wspólną nazwą – bodźce nieświetlne (nonphotic). Należą do nich między innymi: temperatura, wilgotność, pokarm, zapach, aktywność fizyczna, czy tak powszechne szczególnie u ludzi wzajemne oddziaływania socjalne. Synchronizatory nieświetlne, według opinii wielu chronobiologów, są równie ważne, a w niektórych przypadkach nawet ważniejsze niż światło w synchronizacji rytmów biologicznych. Działają we wzajemnej interakcji z sobą, choć najczęściej w przeciwstawnych kierunkach. Krzywa odpowiedzi fazowej dla tych dwu synchronizatorów jest inna, co dowodzi, że w mechanizm ich odbioru zaangażowane są dwa różny układy. Bodziec świetlny jest najbardziej efektywny w okresie tzw. subiektywnej nocy, a nieświetlny w czasie subiektywnego dnia. Subiektywny dzień i noc to okresy występowania dnia i nocy w stałych warunkach świetlnych. Wiele z nieświetlnych synchronizatorów nie ma swoich specyficznych projekcji w mózgowiu. Aktywują one układy niespecyficzne (szczególnie unerwienie serotoninergiczne pochodzące z jąder szwu (raphe nuclei – RN)), które swoją dyfuzyjną projekcją, unerwiają także listek ciała kolankowatego wzgórza (intergeniculate leaflet of the thalamus – IGL), drugi bardzo ważny element neuronalnego mechanizmu zegara biologicznego ssaków. IGL jest niewielką anatomicznie strukturą (2 mm u szczura w osi horyzontalnej), zlokalizowaną między grzbietową i brzuszną częścią ciała kolankowatego bocznego. Buduje go około 2000 małych neuronów, syntetyzujących kwas γ-aminomasłowy (GABA), który współwystępuje z neuropeptydem Y (NPY) w połączeniach do SCN i enkefaliną (ENK) w unerwieniu przeciwlegle położonego IGL. Oprócz unerwienia niespecyficznego IGL, otrzymuje także informacje świetlne z komórek melanopsynowych siatkówki (Lewandowski, 1997). Ostatnio odkryte unerwienie oreksynowe IGL przez komórki bocznego podwzgórza (lateral hypothalmus – LH), potwierdza udział IGL w przetwarzaniu informacji o stanie wzbudzenia organizmu i przewodzeniu jej do SCN (Siegel, 2004). Rola IGL w mechanizmie zegara biologicznego, polega zatem na integracji tych dwu (świetlnych i nieświetnych) oddziaływań i wysyłaniu jednej zwrotnej informacji drogą kolankowato- podwzgórzową (geniculohypothalamic tract – GHT) do głównego generatora zegara biologicznego. Aktywność IGL ma szczególne znaczenie przy braku synchronizacji świetlnej. Jego zniszczenie w takich warunkach, powoduje desynchronizację rytmu aktywności lokomotorycznej gryzoni. Natomiast brak bodźców nieświetlnych przy zachowanych jądrach nadskrzyżowaniowych, podkreśla aktywność synchronizacji świetlnej.

Funkcja IGL nie jest jednak ograniczona tylko do jego udziału w mechanizmie zegara biologicznego. Dzięki swoim rozlicznym połączeniom z innymi strukturami mózgowia, głównie drogi wzrokowej, IGL może brać udział w procesach zmiany uwagi w odpowiedzi na stymulację wzrokową czy czuciową, w kierowaniu spojrzenia i wykrywaniu ruchu obiektów, w regulacji funkcji motorycznych gałki ocznej związanych ze skupianiem wzroku czy orientacją.

Kolejna, ostatnio intensywnie badana struktura, unerwiana także przez komórki melanopsynowe, to jądra przedpokrywowe oliwki (olivary pretectal nuclei – OPN). Ich bezpośrednie unerwienie SCN i wzajemnie zwrotnie połączenia z IGL, sugerują udział w neuronalnym mechanizmie zegara biologicznego ssaków. Uszkodzenie OPN, czy wzajemnych połączeń tych jąder z innymi elementami zegara biologicznego, może mieć wpływ na prawidłowy przebieg rytmów biologicznych.

Oddzielnym, bardzo ważnym nieświetlnym synchronizatorem rytmów biologicznych jest pokarm, szczególnie jego restrykcyjna (regularna) dostępność. Zaburzenie jego rytmicznej obecności jest bardzo silnie manifestowane przez organizmy. Z drugiej jednak strony zmiana, przesunięcie okresu podawania pokarmu, co w środowisku naturalnym bardzo często wiąże się z jego okołodobową czy sezonową dostępnością, może o 180o zmienić rytm snu i czuwania, co powoduje, że zwierzęta z dzienno- stają się nocnoaktywne (Mendoza, 2006). Jądra grzbietowo-przyśrodkowe podwzgórza (dorsomedial hypothlamic nuclei – DMH), to kolejna struktura mózgowia zaangażowana w mechanizm zegara biologicznego ssaków. DMH między innymi za pośrednictwem jąder łukowatych (arcuate nuclei – ARC), otrzymuje nerwowe i humoralne informacje o potrzebie energetycznej organizmu. Regularne podawanie pokarmu, manifestuje się rytmiczną aktywnością neuronów DMH, wyższą w czasie dostępności pokarmu. Zmiana czasu podawania pokarmu przesuwa także aktywność neuronalną DMH. Natomiast, zniszczenie tej struktury znosi rytmiczną aktywność pokarmową organizmu, mimo jego cyklicznej dostępności. Można zatem uznać, że DMH jest kolejnym oscylatorem zegara biologicznego ssaków, odpowiedzialnym za jego synchronizację pokarmową. Zniszczenie głównego generatora zegara biologicznego (SCN) nie wpływa na synchronizację rytmicznej aktywności pokarmowej, co sugeruje pewną niezależność funkcjonalną DMH od SCN. Potwierdzają to badania anatomiczne, w których wykazano pośrednie unerwienie DMH przez neurony SCN i kompletny brak zwrotnego unerwienia z DMH do SCN. Z drugiej jednak strony DMH w przeciwieństwie do SCN, ma bezpośrednie nerwowe połączenie z jądrami brzuszno–bocznymi obszaru przedwzrokowego (ventrolateral preoptic nuclei – VLPO), regulującym sen; przyśrodkowym polem przedwzrokowym (medial preoptic area – MPO), odpowiedzialnym za rytm temperatury; jądrami przykomorowymi podwzgórza (paraventricular hypothalamic nuclei – PVH), decydującymi o rytmie kortykosteronu; czy bocznym podwzgórzem (lateral hypothalmus – LH), którego aktywność neuronów oreksynowych odpowiada za wzbudzenie i czuwanie. Powyższe dowody anatomiczne sugerują bardzo ważną rolę DMH w mechanizmie zegara biologicznego i silny wpływ synchronizujący, niezależny od światła, regularnie podawanego pokarmu na rytmy biologiczne (Verwey i Amir, 2009, Bechtold i Loudon, 2012).

Najważniejszy, choć najsłabiej poznany jest mechanizm komunikacji zegara centralnego z jego obwodowymi oscylatorami (zegarami peryferycznymi). Zarówno w obrębie mózgowia, jak i na zewnątrz, SCN wykorzystuje sygnały neuronalne i humoralne. Te ostatnie dominują w połączeniu z oscylatorami zewnętrznymi, co potwierdza rytmiczna aktywność licznych neurohormonów w SCN: wazopresyny argininowej (arginine vasopressin – AVP), kalretyniny (calretinin – CARL), peptydu uwalniającego gastrynę (gastrin-releasing peptide – RGP), naczyniowo aktywnego peptydu jelitowego (vasoactive intestinal polypeptide – VIP), Met-enkefaliny (Met-enkephalin – mENK), kalbindyny (calbidin – Calb). Stężenie AVP w płynie mózgowo-rdzeniowym zmienia się w cyklu okołodobowym, osiągając, podobnie jak w SCN, maksimum na początku dnia, a minimum w nocy. Wazopresyna argininowa reguluje okołodobowy rytm wydzielania kortykosteronu i wpływa na sekrecje hormonu lutenizującego (LH) osi podwzgórze – przysadka – gonady. Ostatnie badania sugerują przypuszczalny udział w tych procesach prokinetycyny 2 (prokineticin 2 – PK2), epidermalnego czynnika wzrostu (epidermal growth factor – EGF) i transformującego czynnika wzrostu -1 (transforming growth factor -1 – TGF-1). Poziom mRNA PK2 zmienia się w rytmie okołodobowym zgodnie z rytmem aktywności neuronalnej w SCN. Brak prokinetycyny 2 osłabia rytm aktywności lokomotorycznej, snu i czuwania, temperatury ciała, hormonów, a przede wszystkim ekspresję genów zegarowych w oscylatorach peryferycznych. Prokinetycyna 2 bierze zatem nie tylko udział w synchronizacji sieci neuronalnej w obrębie głównego generatora rytmów biologicznych, ale także rytmicznej aktywności jego zegarów peryferycznych (Li i wsp. 2012). Rytmiczna sekrecja melatoniny w szyszynce, regulowana przez SCN, jest także bardzo ważnym neurohormonem, biorącym udział w komunikacji zegara centralnego z jego peryferycznymi oscylatorami (Gall i wsp. 2002).

Aktywność neuronalna SCN, mierzona częstością potencjałów czynnościowych, generowanych z udziałem napięciowozależnych kanałów sodowych, wydaje się być potrzebna tylko do zewnętrznej ekspresji rytmiki. Nie ma natomiast znaczącego wpływu na aktywność oscylacyjną głównego generatora zegara biologicznego. Klasycznym przykładem jest podanie do SCN tetrodotoksyny (tetrodotoxin – TTX), która maskuje rytm okołodobowej aktywności lokomotorycznej gryzoni, nie blokując mechanizmu jego powstawania. Po ustąpieniu działania TTX, faza i okres rytmu wracają do wartości sprzed podania blokera kanałów sodowych. Takie zjawisko bezpośredniego wpływu jakiegoś czynnika na rytm, omijające mechanizm jego powstawania, nazywamy w chronobiologii efektem maskującym (masking effect). Jest ono bardzo ważne w biologii organizmu, pozwala bowiem na szybką i bezpośrednią jego reakcję na nagłe bodźce zewnętrzne.

Wpływ zegara centralnego na aktywność oscylatorów zewnętrznych nie jest prostym procesem linowym. Przypomina raczej aktywność sieci neuronowych, co oznacza, że rytmiczne zachowania i procesy fizjologiczne, będące efektem aktywności zegarów peryferycznych, mogą zwrotnie (bezpośrednio) wpływać zarówno na synchronizatory zewnętrzne, jak i główny generator rytmów biologicznych.

Literatura

Bechtold DA, Loudon ASI (2013) Hypothalamic clocks and rhythms in feeding behavior. Trends in Neurosciences, Vol. 36: 74-82.

Gall von C, Stehle JH, Weaver DR (2002) Mammalian melatonin receptors: molecular biology and signal transduction. Cell Tissue Research, Vol. 309: 151-162.

Hannibal J (2002) Neurotransmiters of the retino-hypothalamic tract. Cell Tissue Research, Vol. 309: 73-88.

Li JD, Hu WP, Zhou QY (2012) The circadian output signals from the suprachiasmatic nuclei. Progress in Brain Research, Vol. 199: 119-127.

Lewandowski MH (1997) Udział listka ciała kolankowatego bocznego w mechanizmie zegara biologicznego ssaków. (Participation of intergeniculate leaflet in the mechanism of animal biological clock). Kosmos, t. 46, nr 2, s: 203-211.

Lucas RJ, Lall GS, Allen AE, Brown TM (2012) How rod, cone, and melanopsin photoreceptors come together to enlighten the mammalian circadian clock. Progress in Brain Research, Vol. 199: 1-18.

Mendoza J (2006) Circadian Clocks: Setting Time By Food. Journal of Neuroendocrinology, Vol. 19: 127–137.

Moore RY, Speh JC, Leak RK (2002) Suprachiasmatic nucleus organization. Cell Tissue Research, Vol. 309: 89-98.

Siegel JM (2004) Hypocretin (Orexin): Role in Normal Behavior and Neuropathology. Annual Review Psychology. Vol. 55: 125–48 DOI: 10.1146/annurev.psych.55.090902.141545

Takahashi JS, Hong HK, Ko CH, McDearmon EL (2008) The genetics of mammalian circadian order and disorder: Implications for physiology and disease. Nature Reviews. Genetics, 9, 764–775.

Verwey M, Amir S (2009) Food-entrainable circadian oscillators in the brain. European Journal of Neuroscience, Vol. 30: 1650–1657; DOI: 10.1111/j.1460-9568.2009.06960.

Zobacz także

Literatura uzupełniająca

Foster RG, Kreitzman L (2004) Rhythms of life. The biological clocks that control the daily lives of every living thing. Yale University Press, New Haven and London.

Golombeck DA, Rosenstein RE (2010) Physiology of Circadian Entrainment Physiol Rev 90: 1063–1102, 2010; DOI: 10.1152/physrev.00009.2009.

Lewandowski MH (1999) Zegar biologiczny u ssaków: struktura i funkcja. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej 53, 3, s:405-422.

Lewandowski MH (2001) Wpływ układów niespecyficznych mózgowia na mechanizm zegara biologicznego ssaków. Kolokwia Psychologiczne nr 9: Umysł i zachowanie. Z perspektywy psychologii i innych nauk. Instytut Psychologii PAN. Warszawa, s: 30-43.

Lewandowski MH (2008) A Nonspecific System Provides Nonphotic Information for the Biological Clock. W: Visual Transduction and Non-Visual Light Perception. Humana Press, a part of Springer Science+Business Media, LLC, s: 465-480.

Lewandowski MH (2010) Biologiczne mechanizmy percepcji i transdukcji sygnałów czasowych (temporalnych) przez organizmy żywe. W: Życie na czas. Perspektywy badawcze postrzegania czasu. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Polska. s: 23-44.

Morin LP, Allen CN (2006) The circadian visual system, 2005 Brain Research Reviews Vol.51: 1-60.

Refinetti R (2006) Circadian physiology. Roberto Refinetti 2nd ed. CRC Press Taylor & Francis Group. LLC pp.700. Dostępne: http: www.circadian.org/book