První biologické hodiny možná poháněly enzymy  
Když se lidé chtěli přesněji orientovat v průběhu dne, vymysleli a sestrojili sluneční hodiny, které nepotřebovaly žádný složitý stroj. Když svítilo slunce, byly spolehlivé a v rámci tehdejších potřeb dostatečně přesné. Jednoduché jednobuněčné organismy na počátku evoluce pozemského života možná šly podobnou cestou a než se vyvinuly mechanismy na úrovni složitých změn v aktivitě genů, cirkadiální rytmy pravděpodobně řídily enzymy.

 

Zvětšit obrázek
Citlivka stydlivá (Mimosa pudica) při mechanickém podráždění nebo ve tmě sklápí lístky.

Střídání dne a noci ovlivňuje celou řadu fyziologických procesů u všech druhů organismů žijících v prostředí, kde se tato pravidelnost dána rotací Země projevuje. Již v roce 1729 francouzský geofyzik a astronom Jean-Jacques d’Ortous de Mairan experimentoval se známou rostlinkou citlivkou stydlivou (Mimosa pudica) která reaguje na dotek a tmu sklopením lístků. Zjistil, že i když mimózu umístil do úplné tmy, její zpeřené listy se nadále pravidelně rozprostíraly a sklápěly jako za běžných podmínek. Dodržují tedy denní režim aniž by na ně zasvítilo slunce. Toto inspirovalo i Charlese Darwina a výsledky svých pokusů popsal v knize The Power of Movement in Plants (Síly hýbající rostlinami).

Zvětšit obrázek
Již Darwin se zabýval výzkumem cirkadiálních cyklů u rostlin. Charles Darwin: The Power of Movement in Plants. New York, NY, D. Appleton and Company, 1897

 

Dnešní poznatky o cirkadiálních rytmech a jejich řídících mechanismech, které se vyvinuly jako reakce na denní variace světla a tmy, by zaplnily mnoho stovek stran. Nejznámějším příkladem u nás lidí je pravděpodobně korelace mezi světlem a hladinou melatoninu. Když se stmívá, hypofýza začne tento hormon produkovat ve větším množství. Různých nenápadných změn se ale v průběhu 24 hodin děje v tělech organismů celá řada a téměř všechny jsou dirigovány pomocí změn v aktivitě nějakého genu nebo sady genů. Zejména u rostlin závislých na fotosyntéze je jich požehnaně. Například u známé modelové rostliny huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana) až 5 procent genů, což je asi 130 tisíc, se zapojuje do regulace cirkadiálních rytmů. Jenže v genech se neukrývá celá odpověď...

 

V předvčerejším vydání časopisu Nature se objevily dva odborné články na podobné téma. Oba posouvají naše poznání toho, jak se střídání světla a tmy vpečetilo do jemných mechanizmů fungujících v tělech téměř všech živých organismů. Obě práce, které kromě podobné oblasti výzkumu spojují jména John S. O’Neill a Akhilesh B. Reddy z britské University of Cambridge, jsou tak trochu převratné - vědci našli způsob jak si posvítit na cirkadiální změny, jež nejsou přímo závislé na aktivitě genů. Tedy fungují bez toho, aby docházelo k přepisu nějakého řídícího příkazu zakódovaného v sekvenci DNA.

Akhilesh Reddy, Department of Clinical Neurosciences University of Cambridge

V jedné z prací se tito dva britští biologové zaměřili na výzkum červených krvinek (erytrocytů) tvořících až 99 % všech buněk naší krve. I když jejich úkolem je životně důležitý transport kyslíku po celém těle, nejde o zcela plnohodnotné buňky. Chybí jim buněčné jádro a mnohé organely, nemůžou se samy množit, neustále vznikají ze speciálního typu kmenových buněk kostní dřeně a po 70 až 120 dnech zanikají. Játra jsou pro ně sběrným a recyklačním střediskem separujícím odpad od využitelných látek. Erytrocyty tedy nemají DNA a to je pro vědce hledající na genetickém kódu nezávislé mechanismy podstatné. Protože i v těchto neplnohodnotných buňkách tikají hodiny nastavené denním rytmem.

 

Reddy s O’Neillem odebrali třem zdravým dobrovolníkům krev a izolovali z ní červené krvinky, jež pak udržovali ve vhodném médiu ve tmě a při stabilní teplotě 37 °C, což odpovídá podmínkám uvnitř těla. Z preparátů po dobu necelých tří dnů v pravidelných intervalech odebírali vzorky, aby zjistili, jak se v průběhu 24 hodin mění chemizmus peroxiredoxinů - antioxidačních enzymů, jejichž úkolem je chránit buňky před oxidačním stresem způsobeným volnými radikály. Najdeme je u všech známých organismů. Katalyzují rozklad peroxidu vodíku, čímž tlumí od něho závislé kaskády signálních reakcí probíhajících v buňce. Experimenty s červenými krvinkami odhalily, že i v umělém médiu mimo tělo, bez vlivu jakýchkoli genů a za neměnících se podmínek, lze u těchto enzymů pozorovat pravidelné chemické změny – denní variace jejich oxidačních stavů.

Jak ale souběžně prováděné pokusy prokázaly, tyto oxidačně – redukční cykly reagují i na vnější podněty. Vědci tuto schopnost testovali tak, že erytrocyty vystavili podobným teplotním změnám, jaké v průběhu dne probíhají v našem těle. Když jsme zdraví, nejnižší teplotu si naměříme ráno a nejvyšší v odpoledních hodinách. Peroxiredoxiny červených krvinek i v laboratorních podmínkách intenzivně reagovaly na kolísání teplot a za nižší, 32stupňové teploty byl jejich stupeň oxidace vyšší, než když teplota stoupla na 37 °C.

Nejmenší samostatně žijící mikroorganismus – zelená řasa Ostreococcus tauri.

My lidé ale patříme mezi evolučně mladé, vyšší, tedy nejkomplexnější živočichy. Přesto nás s těmi nejnižšími, neporovnatelně jednoduššími a vývojově nejstaršími organismy stále mnoho spojuje. Dokazuje to i druhý článek uveřejněný v nejnovějším vydání Nature. Osmičlenný tým autorů, mezi nimiž kromě zmíněné oxfordské dvojice O’Neill – Reddy jsou jejich kolegové z Edinburghu a francouzští biologové z Oceánologické observatoře pařížské University Piera a Marie Curie, se zabýval výzkumem cirkadiálního rytmu nejmenšího samostatně žijícího eukaryotického organismu – mořské zelené řasy Ostreococcus tauri. I když vědci uložili nádobu s mikroby do naprosté tmy, vzorky odebírané v pravidelných časových intervalech po několik dnů potvrdily, že peroxiredoxiny této, ani ne tisícinu milimetru velké řasy podléhají podobným denním oxidačně-redukčním cyklům, jaké probíhají v našich buňkách. Udělali tedy podobný pokus jako před téměř 300 lety de Mairan s citlivkou, jen sledovali jiný, mnohem utajenější, očím neviditelný faktor.

Zvětšit obrázek
Z preparátů s červenými krvinkami z krve od tří různých dárců byly po několik dnů každé 4 hodiny odebírány vzorky, v nichž se měřila míra oxidace peroxiredoxinů. I když ve vzorcích nebyla žádná DNA, jsou patrné změny v rámci 24hodinových cyklů. Kredit: J. O’Neill, A. Reddy/Nature 2011.

Autoři v abstraktu svého článku uvádějí (volný překlad): Zjistili jsme, že oxidace peroxiredoxinových proteinů je u řasy Ostreococcus tauri cirkadiálním biomarkerem, jenž je nezávislý od genetického přepisu. Podobné rytmické změny lze sledovat i u savců. Navíc jsme prokázali, že farmaka, která ovlivňují denní fyziologické rytmy u savců, mají stejné účinky na cirkadiální hodiny i u řasy Ostreococcus. Post-translační mechanismy a alespoň jeden peroxiredoxinový marker se zdají být lépe zakonzervovány než transkripční cirkadiální regulátory. Je pravděpodobné, že evolučně nejstarší složky těchto bio-oscilátorů mají netranskripční (tedy na přepisu z DNA kódu nezávislou) podstatu a stejně jako u sinic jsou zachovány v celé rostlinné i živočišné říši.

Zvětšit obrázek
Změny v denním režimu aktivity proteinů se zkoumají pomocí diferenční gelové elektroforézy. Kredit: A. Reddy University of Cambridge

(Poznámka: Samozřejmě, že samotné enzymy, například zmiňované peroxiredoxiny, jsou produktem genů a vznikají přepisem genetického kódu do posloupnosti aminokyselin. Jen jejich aktivita v podobě chemických změny je už od DNA – od aktivity nějakého genu – nezávislá.)


I když jde bezpochyby o zajímavé výsledky a nikdo z biologů asi nepochybuje, že pravidelné střídání dne a noci se do fyziologických procesů zapsalo již někdy v raných fázích vývoje pozemského života, zdaleka ne všichni budou souhlasit se závěrem o prvotnosti negenetických cirkadiálních mechanismů. Není to ale nelogická teorie. Počátky DNA, či spíše RNA replikačního programu musely být velmi jednoduché. Jenže v podmínkách mladé planety a její atmosféry si buňky musely rychle vytvořit jednoduchou obranu před UV zářením. Například i v současnosti, právě kvůli riziku poškození DNA, dělení u většiny jednobuněčných organismů probíhá v noci. Není úplnou náhodou, že důležitou roli v tom hrají právě peroxiredoxiny.


Nové poznatky by mohly mít důležité praktické využití – peroxiredoxiny jsou enzymy, jež jsou mnohem jednodušeji ovlivnitelné léky, než složité mechanismy na úrovni aktivity různých genů. Proto představa Akhileshe Reddyho o nadějné nové cestě vedoucí k léčbě nespavosti a poruch našich biologických hodin není nerealistická. Náš životní styl a charakter mnohých zaměstnání totiž vznik těchto problémů často podporují. „My vlastně konáme proti naší biologické přirozenosti,“ poznamenává Reddy. „Nejsme uzpůsobeni na to, abychom měli světlo o půlnoci.“

 

Zdroj: University of Cambridge News

Datum: 29.01.2011 19:18
Tisk článku


Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace