Cirkadiánne hodiny a metabolizmus

Široká škála fyziologických a metabolických variácií závisí od dennej doby, vrátane cyklov spánku a bdenia, kŕmenia, telesnej teploty a hormonálnych hladín. Za posledné dve desaťročia sme boli svedkami pozoruhodného nárastu našich vedomostí o tom, ako je riadená cirkadiánna (z latinských slov circa diem , asi deň) biológia, a to z fyziologického aj molekulárneho hľadiska. Záujemcov odporúčame na niekoľko podrobných prehľadových článkov na túto tému ( Asher a Schibler, 2011 , Eckel-Mahan a Sassone-Corsi, 2013 , Feng a Lazar, 2012 ). Stručne povedané, cirkadiánne rytmy sú riadené molekulárnymi hodinami, ktorého kľúčovými znakmi sú (1) vstupná dráha, ktorá zahŕňa prijímače environmentálnych podnetov a následne ich prenáša do centrálneho oscilátora; (2) centrálny oscilátor, ktorý udržiava cirkadiánny čas a generuje rytmus; a (3) výstupné cesty, ktorými sú rytmy prenášané a riadia rôzne metabolické, fyziologické a behaviorálne procesy. Cirkadiánne hodiny sú jedinečne charakterizované ako unášateľné, samostatné a teplotne kompenzované oscilátory ( Brown a kol., 2012 , Buhr a Takahashi, 2013 , Dibner a kol., 2010 ). Hlavné alebo „centrálne“ hodiny sa nachádzajú v hypotalame , v párovej štruktúre, ktorá sa nazýva suprachiazmatické jadro.(SCN). SCN obsahuje 15–20000 neurónov, ktoré majú pozoruhodnú vlastnosť oscilovať s 24-hodinovým rytmom. Hodiny SCN môžu skutočne fungovať autonómne, bez akéhokoľvek externého vstupu a možno ich resetovať v reakcii na podnety prostredia (zeitgebers alebo darcovia času), ako je svetlo. SCN funguje ako „riaditeľ orchestra“ pre „periférne hodiny“, o ktorých sa predpokladá, že sú prítomné vo všetkých ostatných tkanivách a bunkách v tele. Synchronizácia periférnych hodín je nevyhnutná na zabezpečenie dočasne koordinovanej fyziológie a dosahuje sa prostredníctvom zatiaľ nedostatočne definovaných dráh riadených hlavnými hodinami ( Saini et al., 2011 ).

V srdci molekulárnej siete, ktorá tvorí cirkadiánne hodiny, sú hlavné transkripčné faktory CLOCK a BMAL1 ( obrázok 1 ) ( Crane a Young, 2014 ). Heterodimerizujú a riadia transkripciu veľkého počtu hodinami riadených génov (CCG) väzbou na miesta E-boxu v ich promótoroch. CLOCK a BMAL1 tiež riadia transkripciu svojich vlastných represorov , periódy (PER) a kryptochrómových (CRY) členov rodiny, čím vytvárajú pevne samoregulovanú spätnú väzbu. Počas dňa nárast prepisu PER a CRY génov vedie k akumulácii cirkadiánnych represorov PER a CRY. Tie zase inhibujú CLOCK:BMAL1-riadenú transkripciu PER , CRY a CCG. Vysoko kontrolovaná degradácia PER a CRY zmierňuje represiu transkripcie a umožňuje opätovný priebeh transkripcie sprostredkovanej CLOCK: BMAL1, čím sa vytvárajú cykly v cirkadiánnej génovej expresii. Ďalšie úrovne cirkadiánnej regulácie existujú s osamotenými jadrovými receptormi ROR a REV-ERB, ktoré aktivujú a potláčajú transkripciu génu Bmal1 . Okrem toho sú hodinové proteíny modifikované posttranslačným spôsobom fosforyláciou, acetyláciou , ubikvitináciou a SUMOyláciou, čím sa do stroja základných hodín pridáva viacero vrstiev regulácie ( Crane a Young, 2014 , Robles a Mann, 2013 ).

1. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok vo vysokom rozlíšení (324 KB)
2. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok v plnej veľkosti

Obrázok 1 . Molekulárna organizácia cirkadiánnych hodín

Transkripčné aktivátory CLOCK a BMAL1 dimenzujú stimuláciu expresie mnohých CCGs s E-box promotorových elementov v ich promotorov. CLOCK:BMAL1 tiež aktivuje expresiu rodiny génov Period (Per) a Cryptochroms (CRY). Hladiny proteínov PERs a CRYs sa počas noci zvýšia, potom sa dimerizujú a premiestnia do jadra, aby potlačili transkripciu sprostredkovanú CLOCK:BMAL1. PER a CRY prechádzajú množstvom post-translačných modifikáciíktoré vyvolávajú ich degradáciu, ktorá je potrebná na spustenie nového cirkadiánneho cyklu. Ďalšia slučka zahŕňa proteíny REV-ERBα/β, ktorých hladiny sa počas dňa zvyšujú a viažu špecifické responzívne promótorové elementy (RRE) a tým inhibujú transkripciu Bmal1 . V noci sú množstvá proteínu REV-ERBα nízke, čo umožňuje transkripciu Bmal1 . Tieto transkripčno-translačné regulačné slučky fungujú vo väčšine buniek a kontrolujú pozoruhodnú časť genómu cicavcov.

Aktivácia CCG riadená CLOCK:BMAL1 si v kontexte tohto prehľadu zaslúži osobitnú pozornosť. Po prvé, umožňuje cirkadiánnu reguláciu bunkových, metabolických a fyziologických výstupných funkcií. Po druhé, transkriptómové štúdie ukázali, že prekrývanie CCG v rôznych tkanivách je relatívne okrajové, čo spochybňuje možný príspevok tkanivovo špecifických faktorov k riadeniu hodín. Nakoniec odhaľuje, že veľká časť genómu je potenciálne pod kontrolou hodín ( Masri a Sassone-Corsi, 2010 ). Vnútorná plasticita cirkadiánneho systému by tak mohla byť zaistená, aspoň čiastočne, potenciálom rozšírenia alebo obmedzenia regulácie CCG v závislosti od nutričného, ​​metabolického a epigenetického stavu.

Cirkadiánne hodiny sú úzko spojené s metabolizmom ( Asher a Schibler, 2011 , Bass, 2012 , Eckel-Mahan a Sassone-Corsi, 2013 , Green a kol., 2008 ). Priamy dôkaz poskytujú cielené mutácie hodinových génov u myší, ktoré prinášajú zvieratá s rôznymi metabolickými poruchami ( Sahar a Sassone-Corsi, 2012 ). Z molekulárneho hľadiska sa ukázalo, že hodinový mechanizmus riadi expresiu esenciálnych génov v rámci mnohých metabolických dráh . Paradigmatickým príkladom je kontrola expresie génu Nampt (nikotínamid fosforybosil transferáza) pomocou CLOCK:BMAL1 ( Nakahata et al., 2009, Ramsey a kol., 2009 ). Produkt tohto génu, menovite enzým NAMPT , funguje ako krok obmedzujúci rýchlosť v dráhe NAD ⁺ -salvage. Riadením Nampt cyklický transkripcii, hodiny riadi cirkadiánní syntézu NAD ⁺ a tým potenciálne cyklickou aktivitu NAD ⁺ -consuming enzýmov. Toto je skutočne prípad NAD-dependentnej deacetylázy SIRT1, enzýmu zapojeného do kontroly bunkového metabolizmu, zápalu a starnutia ( Guarente, 2011 ). Dôležité je, že sa ukázalo, že SIRT1 prispieva k funkcii CLOCK:BMAL1 fyzickou interakciou s týmito cirkadiánnymi regulátormi ( Asher et al., 2008,Nakahata a kol., 2008 ). Nedávna práca ukázala, že podobná deacetyláza, SIRT6 , tiež prispieva k cirkadiánnej kontrole, hoci pôsobí na inú skupinu cyklických génov ako SIRT1 ( Masri et al., 2014 ). Je zaujímavé, že SIRT6 sa viaže na chromatín, riadi metabolizmus lipidov a je enzymaticky aktivovaný mastnými kyselinami. SIRT1 a SIRT6 rozdeľujú cirkadiánny epigenóm , čo vedie k segregovanej kontrole bunkového metabolizmu ( obrázok 2 ), čo je zistenie, ktoré by mohlo byť relevantné vzhľadom na rôzne režimy výživy ( Eckel-Mahan et al., 2013 ). Okrem toho SIRT3 , mitochondriálny NAD ⁺-dependentná deacetyláza sa podieľa na cirkadiánnej kontrole mitochondriálnej funkcie ( Peek et al., 2013 ) a ukázalo sa, že PARP-1, NAD ⁺ závislá ADP-ribozyltransferáza, sa podieľa na fázovom strhávaní cirkadiánnych hodín do kŕmenia ( Asher a kol., 2010 ). Zmeny v zložení potravy/čase kŕmenia teda môžu viesť k rozdielnej aktivácii epigenetických a transkripčných riadiacich systémov prostredníctvom využitia špecializovaných enzymatických dráh a cirkadiánnych metabolických senzorov.

1. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok vo vysokom rozlíšení (300 kB)
2. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok v plnej veľkosti

Obrázok 2 . Súhra medzi výživou, cirkadiánnymi hodinami a metabolizmom

Veľké množstvo dôkazov dokazuje, že cirkadiánne hodiny a bunkový metabolizmus sú úzko prepojené. Paradigmatickým príkladom je ten, ktorý predstavujú dva remodelátory chromatínu, deacetylázy SIRT1 a SIRT6 v pečeni ( Masri et al., 2014 ). Tieto dva enzýmy prispievajú k rozdeleniu cirkadiánneho epigenómu , pretože riadia odlišné skupiny génov prostredníctvom rôznych molekulárnych mechanizmov, vrátane aktivácie alternatívnych transkripčných dráh, ako je SREBP-1. Kombinácia týchto regulačných udalostí vedie k segregácii cirkadiánneho metabolizmu. SIRT1 sa podieľa prevažne na cyklickej kontrole kofaktorov a peptidov, zatiaľ čo SIRT6 sa zdá byť venovaný cyklickej syntéze lipidov a sacharidov ( Masri et al., 2014 ). Keďže SIRT1 spotrebováva NAD ⁺ ( Guarente, 2011 ), zatiaľ čo SIRT6 sa zdá byť aktivovaný voľnými mastnými kyselinami ( Feldman et al., 2013 ), tieto môžu odrážať rozdielne reakcie na odlišný príjem výživy.

„Chrono-výživa“ od hlodavcov po ľudí

Dôkazy zo štúdií na myšiach

Niekoľko štúdií na myšiach naznačuje, že zmeny v rozvrhu kŕmenia majú jasné metabolické dôsledky. Keď sú myši umiestnené v konštantnom jasnom/tlmenom svetle, konzumujú viac potravy počas subjektívnej svetelnej fázy. Tieto myši vykazujú významne zvýšenú telesnú hmotnosť a zníženú glukózovú toleranciu v porovnaní s myšami pri štandardných cykloch svetlo/tma, napriek podobnému kalorickému príjmu a celkovej motorickej aktivite ( Fonken et al., 2010 ). Ďalšia podpora vyplýva z analýzy geneticky modifikovaných myších modelov. Zmenené rytmy kŕmenia u týchto myší ďalej korelovali rozvrh kŕmenia s obezitou a metabolickým syndrómom. Najmä myši s mutantom Clock vykazujú značne oslabený denný rytmus kŕmenia. Tieto myši sú obézne a vyvíja sa u nich metabolický syndróm ( Turek a kol., 2005 ). Podobne myši bez Bmal1 špecifické pre adipocyty vykazujú zvýšený príjem potravy počas ľahkej fázy a zvýšenú telesnú hmotnosť. Zdá sa, že prerušenie hodín v adipocytoch modifikuje cirkulujúcu koncentráciu polynenasýtených mastných kyselín v hypotalame, čo má za následok zmenené stravovacie správanie ( Paschos et al., 2012 ).

Časovo obmedzené experimenty s kŕmením ďalej zdôraznili metabolické účinky plánu kŕmenia. Pri nočnom obmedzenom kŕmení pravidelného krmiva sa obsah pečeňových triglyceridov u myší divokého typu zníži o 50 %, pričom celková denná spotreba kalórií nie je ovplyvnená ( Adamovich et al., 2014b ). Podobné štúdie s diétou s vysokým obsahom tukov preukázali presvedčivé účinky na sklon k rozvoju obezity a metabolického syndrómu. Myši s časovo obmedzenou diétou s vysokým obsahom tukov konzumujú ekvivalent kalórií ako myši s prístupom ad libitum, ale sú chránené pred obezitou, hyperinzulinémiou , steatózou pečene a zápalom ( obrázok 3 ). Časovo obmedzený režim kŕmenia zlepšuje CREB, mTORa funkcia a oscilácie dráhy AMPK v expresii cirkadiánnych základných hodín a výstupných génov ( Hatori et al., 2012 , Sherman et al., 2012 ). Je potrebné poznamenať, že obe štúdie aplikovali časovo obmedzenú stravu s vysokým obsahom tukov, avšak v úplne odlišných časoch počas dňa. Prvý obmedzil dostupnosť potravy na 8 hodín počas tmavej fázy, zatiaľ čo v druhom prípade bola potrava poskytovaná počas 4 hodín počas svetlej fázy. Je teda možné, že kľúčovým faktorom je skôr časové obmedzenie potravy ako také, než jej výskyt v konkrétnom cirkadiánnom čase. Nedávna štúdia od spoločnosti Panda a kolegov ďalej charakterizovala rôzne požiadavky na to, aby časovo obmedzené kŕmenie bolo prospešné ( Chaix et al., 2014). Časovo obmedzené kŕmenie sa javí ako účinné proti už existujúcej obezite, po vysadení dochádza k následnému účinku a zostáva účinné, aj keď sa aplikuje len 5 dní v týždni. Táto komplexná štúdia zdôraznila účinnosť časovo obmedzeného kŕmenia proti rôznym výživovým problémom, vrátane diét s vysokým obsahom tuku, fruktózy a tukov v kombinácii s diétami s vysokým obsahom fruktózy, o ktorých je známe, že spôsobujú dysmetabolizmus.

1. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok vo vysokom rozlíšení (242 KB)
2. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok v plnej veľkosti

Obrázok 3 . Časovo obmedzené kŕmenie a jeho priaznivé účinky

Potraviny môžu byť dostupné iba v diskrétnych časových intervaloch v rámci denného cyklu. Veľké množstvo dôkazov naznačuje, že časovo obmedzené kŕmenie je prospešné pre množstvo metabolických reakcií, znižuje inzulínovú rezistenciu a zvyšuje toleranciu glukózy ( Adamovich a kol., 2014b , Hatori a kol., 2012 , Sherman a kol., 2012 , Chaix a kol., 2014 ). Hoci sú potrebné ďalšie štúdie na ľuďoch, priaznivé účinky chrono-výživy by sa mali brať vážne do úvahy.

Dokonca aj zmeny v dostupnosti potravy výlučne počas aktívnej fázy (napr. raňajky verzus večera) majú vplyv na telesnú hmotnosť. Shibata a spolupracovníci porovnávali metabolické parametre u myší, ktoré konzumovali iba jedno veľké jedlo na začiatku aktívnej fázy s myšami, ktoré mali ďalšie relatívne malé jedlo na konci aktívnej fázy. Hoci myši v každej skupine konzumovali rovnaké množstvo potravy denne, myši s dvoma jedlami vykazovali znížený prírastok telesnej hmotnosti a zlepšené metabolické parametre v porovnaní s myšami s jedným jedlom alebo voľne kŕmenými zvieratami ( Fuse et al., 2012 ). Ďalšie štúdie na hlodavcoch ukázali, že skoré nočné hladovanie zvyšuje telesnú hmotnosť, zatiaľ čo neskoré nočné hladovanie znižuje prírastok hmotnosti ( Wu et al., 2011,Yoshida a kol., 2012 ).

Úloha pre mikrobiotu

Príspevok mikrobioty v regulácii fyziológie je rozsiahly a komplexný ( Henao-Mejia et al., 2013 , Tremaroli a Bäckhed, 2012 ). Vplyv mikroflóry je medzi rôznymi faktormi určený jej rôznorodým zložením, ktoré zahŕňa baktérie, archaea a huby. Tieto obývajú pozoruhodnú rozmanitosť miest v organizme svojich mnohobunkových hostiteľov ( Lozupone et al., 2012 ). V týchto lokalitách prispievajú k homeostáze miestnych orgánov , ako aj k celosystémovej fyziológii prostredníctvom množstva špecializovaných metabolických a signálnych dráh ( Lee a Hase, 2014 , Sharon et al., 2014 ).

Veľká časť mikrobioty sa nachádza v gastrointestinálnom trakte, čo je miesto, ktoré má tiež výkonné cirkadiánne hodiny ( Bellet a kol., 2013 , Hussain a Pan, 2012 ). Ukázalo sa, že hodiny v čreve sa podieľajú na denných cykloch trávenia potravy ( Hussain, 2014 , Tahara a Shibata, 2013 ), ako aj na zvládaní patogénneho stavu infekcie Salmonella ( Bellet et al., 2013 ) a regulácia interleukínu-17 na produkciu CD4 ⁺ T-helper (T _H 17), bunky, ktoré chránia proti bakteriálnym a hubovým infekciám na povrchy slizníc ( Yu et al., 2013). Keďže črevná mikrobiálna populácia reguluje energiu získanú z potravy a moduluje hladiny produktov pochádzajúcich z hostiteľa a stravy, je kritická otázka, ako sa črevné hodiny vzájomne ovplyvňujú s metabolickými dráhami a mikrobiotou ( Sharon et al., 2014 ).

Riadi mikrobiota črevné hodiny alebo naopak? Prvá odpoveď na túto otázku prišla od Chambona a kolegov prostredníctvom analýzy hrubého čreva , ktoré má najvyššiu koncentráciu mikrobioty u cicavcov ( Mukherji et al., 2013 ). Cirkadiánne hodiny v črevných epitelových bunkách (IEC) sú zodpovedné za cyklickú produkciu glukokortikoidov a sú pod endokrinnou kontrolou z osi hypofýza-nadobličky. Je pozoruhodné, že hodiny IEC sú hlboko narušené vyčerpaním mikrobioty, čo vedie k zmeneným kortikosteroidomhladiny a následné metabolické poruchy. Mikrobiota teda určuje vhodnú funkciu črevných hodín, čo s najväčšou pravdepodobnosťou prispieva k ďalšej cyklickej homeostáze v celom systéme. Táto kontrola funguje prostredníctvom vrodených imunitných receptorov TLR aNOD2, ktorých expresia v IEC je cyklická a pod hodinovou reguláciou (Mukherji et al., 2013,Silver et al., 2012). Zmeny v hladinách a zložení mikrobioty vyvolané rôznymi typmi výživových režimov by teda mohli odlišne regulovať črevné hodiny a tým ovplyvniť homeostázu organizmu. Je to skutočne tak. Zloženie mikrobioty podlieha denným osciláciám u myší aj u ľudí (Thaiss et al., 2014), a tieto oscilácie sú narušené u myší s genetickou mutáciou v systéme hodín, ako aj pri experimentoch s pásmovým oneskorením ( Thaiss et al., 2014 , Voigt et al., 2014 ). Zdá sa teda, že vzťah medzi črevným epitelom hostiteľa a mikrobiotou prebieha oboma smermi, pričom obe bunkové populácie si navzájom ovplyvňujú fyziológiu ( obrázok 4 ).

1. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok vo vysokom rozlíšení (357 KB)
2. Stiahnuť : Stiahnite si obrázok v plnej veľkosti

Obrázok 4 . Súhra medzi mikrobiotou a črevnými cirkadiánnymi hodinami

Črevné bunky obsahujú výkonné cirkadiánne hodiny, ktoré sú prostredníctvom zatiaľ nedostatočne definovaných fyziologických dráh spojené s centrálnymi hodinami v SCN. Výživa je tiež cyklická a jej spracovanie prebieha prostredníctvom rytmického metabolizmu črevných hodín. Tu sa ukázalo, že mikrobiota sa podieľa na spracovaní potravín a interaguje s črevnými hodinami. Táto súhra prebieha oboma smermi, pretože črevné hodiny potrebujú mikrobiotu, aby správne fungovala, a úrovne mikrobioty oscilujú podľa črevných cyklov ( Mukherji a kol., 2013 , Thaiss a kol., 2014 , Voigt a kol., 2014 , Zarrinpar a kol. al., 2014 ). Takže cirkadiánne hodiny sú kritickou zložkou vo vzťahu medzi jedlom a črevom.

Ďalšou kľúčovou zložkou rovnice je jedlo, ktorého príjem je tiež cyklický, podľa zložitého systému neuronálnej a endokrinnej kontroly. Rôzne nutričné ​​výzvy menia zloženie mikrobioty a špecifickí členovia črevnej mikroflóry sa spájajú s metabolickým ochorením ( Zarrinpar et al., 2014 ). Ako však mení príjem potravy špecifický pre čas a stravu súbežne črevné hodiny a mikroflóru? Vysokovýkonné genomické a metabolomické analýzy odhalili, že špecifické „podpisy“ existujú pre každý diétny stav, ako aj pre časovo obmedzené kŕmenie ( Zarrinpar et al., 2014). Tieto zaujímavé výsledky odhaľujú zložitosť črevnej homeostázy, ako aj dôležitosť, ktorú musia zohrávať kľúčové molekulárne dráhy, ako sú TLR a NOD2. Zostáva stanoviť úlohu hodín v bunkách IEC pomocou tkanivovo špecifických mutácií hodinových proteínov u myší, ako aj kritický účinok, ktorý má cirkadiánna súhra črevnej mikroflóry s najväčšou pravdepodobnosťou na iné metabolické orgány, ako napr. pečeň, tuk a svaly. Nakoniec, fascinujúci vplyv, ktorý má mikroflóra na neurónové funkcie ( Mayer et al., 2014 ), vyvoláva otázku, či centrálne hodiny alebo iné mozgové štruktúry môžu dostávať „nutričné“ informácie cyklickým spôsobom cez črevnú mikrobiotu. súhra.

Cirkadiánna metabolomika

V poslednom desaťročí početné profily transkriptómov vykonávané počas dňa v rôznych periférnych orgánoch zdôraznili všadeprítomnú cirkadiánnu kontrolu metabolizmu a fyziológie ( Masri a Sassone-Corsi, 2010 , Green et al., 2008 ). Cirkadiánne transkriptómy sa považujú za charakteristický znak cirkadiánnej rytmicity a vrhajú svetlo na metabolické dráhy, ktoré sú potenciálne pod cirkadiánnou kontrolou. V posledných rokoch, vzhľadom na expanziu špičkových technológií, niekoľko výskumných skupín začalo využívať vysokovýkonné metabolomické prístupy na štúdium cirkadiánnych rytmov. Tieto nedávne pokroky preukázali viacero vrstiev regulácie a zložitosti v cirkadiánnej kontrole. Metabolomika umožňuje systematické štúdium jedinečných chemických odtlačkov prstovbiologické procesy . Táto technológia podnietila pokrok od učenia sa jednotlivých zlúčenín k skúmaniu širokej kombinácie dobre definovaných metabolitov a dokonca k identifikácii nových, predtým necharakterizovaných metabolitov. Skoré štúdie Uedy a spolupracovníkov vytvorili spoľahlivú metódu časového rozvrhu metabolitov na určenie vnútorného času tela kvantifikáciou spektier stoviek metabolitov počas dňa vo vzorkách myší ( Minami et al., 2009 ) a ľudskej krvi ( Kasukawa et al. , 2012 ). Preto, podobne ako transkriptómy, môžu byť metabolómy použité ako podpis pre endogénny čas.

Nasledujúce štúdie boli navrhnuté tak, aby identifikovali metabolické dráhy, ktoré vykazujú denné oscilácie, a rozobrali ich cirkadiánnu kontrolu. Metabolomická štúdia vzoriek plazmy a slín od ľudí odhalila, že ~ 15 % všetkých identifikovaných metabolitov osciluje cirkadiánnym spôsobom, nezávisle od plánovaného spánku a príjmu potravy ( Dallmann et al., 2012 ). Je pozoruhodné, že vysoký podiel rytmických metabolitov v krvnej plazme tvorili mastné kyseliny. Podobne, denné oscilácie v metabolitoch krvnej plazmy boli pozorované u ľudských jedincov za normálnych podmienok ( Ang et al., 2012). Podobné štúdie uskutočnené so vzorkami myšacej pečene z myší divokého typu a myší s hodinovým mutantom identifikovali hodinami riadenú cirkadiánnu osciláciu rôznych skupín metabolitov vrátane lipidov a konkrétnejšie mastných kyselín ( Eckel-Mahan et al., 2012 ). Cirkadiánna metabolomika preto neslúži len ako spoľahlivé odčítanie vnútorného času, ale predstavuje aj produktívny nástroj na štúdium súhry medzi hodinami a metabolizmom.

Circadian Lipidomics

Zdá sa, že homeostáza lipidov je pod cirkadiánnou kontrolou a narušenie cirkadiánnej rytmicity je spojené s dyslipidémiou a obezitou v rôznych modeloch clock mutantných myší ( Gooley a Chua, 2014 , Sahar a Sassone-Corsi, 2012 ). Tieto zahŕňajú zvýšené hladiny VLDL triglyceridov u myší s nulovou hodnotou Rev-Erba ( Raspé et al., 2002 ); tlmenie oscilácií triglyceridov v krvnej plazmemyší Bmal1 ^−/− ( Rudic et al., 2004 ); hyperlipidémia a steatóza pečene u myší s mutantom Clock ( Turek et al., 2005); a znížený celotelový tuk, celkové triglyceridy a mastné kyseliny v krvnej plazme Per2 ^-/- myší ( Grimaldi et al., 2010 ). Súčasne sa zdá, že lipidy zohrávajú úlohu aj pri cirkadiánnej kontrole ( Adamovich et al., 2014a ). Lipidomická analýza ľudskej krvnej plazmy odhalila, že ~13 % lipidových druhov vykazovalo cirkadiánne oscilácie ( Chua et al., 2013 ), s vysokou prevalenciou diglyceridov a triglyceridov, ktoré dosiahli vrchol okolo cirkadiánneho času (CT) 8 (tj 8 hodín po svetlá sú zapnuté). To je v súlade s fázou pozorovanou pri akumulácii lipidov v predchádzajúcich metabolomikách ľudskej plazmy ( Dalmann et al., 2012). Denné zmeny triglyceridov boli tiež pozorované v krvnej plazme potkanov – celkové plazmatické hladiny triglyceridov boli zvýšené počas noci (CT 18) ( Pan a Hussain, 2007 ). Hladiny triglyceridov v krvnej plazme tak dosahujú svoje zenitové hladiny počas aktívnej fázy, a to u človeka cez deň a u hlodavcov v noci.

Nedávna komplexná cirkadiánna lipidomická analýza pečene myší zistila, že ~ 17 % kvantifikovaných lipidov vykazuje cirkadiánnu rytmicitu ( Adamovich et al., 2014b). Je pozoruhodné, že väčšina oscilujúcich druhov lipidov boli triglyceridy (~ 33 %) a dosiahli svoje maximálne hladiny v pečeni počas subjektívnej svetelnej fázy (tj CT8). Zistenia, že triglyceridy sa akumulujú v plazme hlodavcov počas aktívnej fázy a v pečeni počas pokojovej fázy, môžu naznačovať, že hladiny triglyceridov sa hromadia v rôznych fázach v pečeni a krvi spôsobom, ktorý s najväčšou pravdepodobnosťou závisí od cyklov kŕmenia a hladovania a cirkadiánnych hodín. Pretože jedlo je hlavným zdrojom triglyceridov, je možné, že sa tieto hromadia najskôr v krvi po požití potravy počas aktívnej fázy a následne sa ukladajú v periférnych orgánoch, ako je pečeň počas pokojovej fázy. Prekvapivo podobná frakcia lipidov (~ 17 %) oscilovala u myší divokého typu aj u myší s prerušenými hodinami (tj Per1/2null), najmä triglyceridy. Vo veľkej miere sa však líšili fázou akumulácie a zložením ( Adamovich et al., 2014b ). Tieto pozorovania sú zaujímavé, pretože myši, ktorým chýba PER1 aj PER2, sú v konštantnej tme behaviorálne arytmické a ich cirkadiánna expresia génov základných hodín je do značnej miery zrušená. Ďalšie štúdie by sa mali zamerať na identifikáciu molekulárnych mechanizmov, ktoré riadia cirkadiánnu akumuláciu triglyceridov v neprítomnosti funkčnej slučky spätnej väzby.

Integratívna omická analýza

Vyššie opísané štúdie zdôrazňujú potrebu integratívneho a komplexného skúmania údajov vyplývajúcich z rôznych omikov. V skutočnosti bola vytvorená databáza (databáza CircadiOmics; http://circadiomics.igb.uci.edu/ ), ktorá integruje cirkadiánnu genomiku, transkriptomiku , proteomiku a metabolomiku ( Eckel-Mahan a kol., 2012 , Patel a kol., 2012). Uľahčuje využitie aktuálnych údajov na dešifrovanie cirkadiánnej kontroly rôznych metabolických dráh. To tiež ilustruje koherenciu, ktorú špecifické metabolické dráhy zdieľajú s odlišnými cirkadiánnymi transkripčnými uzlami. Ešte dôležitejšie je, že tieto štúdie vrhajú určité svetlo na zložitosť cirkadiánnej kontroly. Po prvé, na rozdiel od oscilácií s vysokou amplitúdou v množstve transkriptov odvodených z mnohých štúdií transkriptómov sa denné zmeny hladín proteínov a metabolitov zdajú byť výrazne plytšie. Napríklad oscilácie metabolitov vo vzorkách ľudskej krvi sa pohybovali približne 2-násobne ( An a kol., 2012 , Dallmann a kol., 2012 ) a väčšina druhov lipidov v pečeni oscilovala s amplitúdou ~1,5-násobne ( Adamovich a kol. ., 2014b). Podobný trend bol pozorovaný pri súboroch cirkadiánnych proteomických údajov, v ktorých je vo väčšine prípadov amplitúda proteínových oscilácií relatívne plytká ( Mauvoisin a kol., 2014 , Masri a kol., 2013 , Reddy a kol., 2006 , Robles a kol. ., 2014 ). Po druhé, porovnanie cirkadiánneho transkriptómu, proteómua údaje o metabolómoch ukázali, že v niektorých prípadoch sa neprekrývajú. Napríklad hladiny mnohých proteínov kódovaných rytmicky exprimovanými mRNA nekmitajú na významných úrovniach, zatiaľ čo niektoré proteíny produkované neustále exprimovanými transkriptmi sa hojne cyklia. Po tretie, na rozdiel od odlišných fáz expresie génov kódujúcich enzýmy, ktoré sa podieľajú na homeostáze triglyceridov v pečeni, je akumulácia triglyceridov v pečeni vysoko koordinovaná a vrcholí ku koncu svetelnej fázy ( Adamovich et al., 2014b). Nesúlad medzi fázou a amplitúdou oscilácií v úrovniach transkriptov v porovnaní s proteínmi a metabolitmi pravdepodobne odráža zložitosť ich akumulácie. Konkrétne kontrola koncentrácie metabolitov často vyžaduje viacero krokov a spolieha sa na aktivitu niekoľkých enzýmov, substrátov a dostupnosti kofaktorov.

Záverečné poznámky

Počas posledného desaťročia sa dosiahol pozoruhodný pokrok v našom chápaní cirkadiánneho systému časovania cicavcov. Vzrušujúca vznikajúca éra proteomiky, metabolomiky/lipidomiky sa začína s cieľom prehĺbiť naše chápanie cirkadiánnych rytmov.

V poslednom desaťročí sa uskutočnilo niekoľko štúdií cirkadiánnych transkriptómov charakterizujúcich expresiu cirkadiánneho génu v rôznych orgánoch, kmeňoch myší a podmienkach kŕmenia (ako príklad pozri Zhang et al., 2014). Naproti tomu cirkadiánna metabolomika je stále v plienkach a mala by sa opatrne analyzovať a interpretovať. V skutočnosti, ako už bolo uvedené, amplitúda oscilácií metabolitov je často relatívne plytká, a preto je pravdepodobnejšie, že bude ovplyvnená experimentálnym návrhom a metódami kvantifikácie. Očakáva sa, že budúce štúdie vrhnú viac svetla a poskytnú lepšie nástroje na riešenie týchto výhrad. V každom prípade tieto prístupy podporujú identifikáciu dráh, ktoré spájajú molekulárne hodiny s metabolizmom, odhaľujú nové cirkadiánne výstupy a rozoberajú súhru medzi environmentálnymi podnetmi (napr. kŕmenie) a hodinami v cirkadiánnej kontrole. Súbežne s tým vzplanutie v štúdiách výživy, ktoré sa zaoberajú vplyvom rozvrhu kŕmenia na obezitu a metabolický syndróm,