Biologinen kello. Seppo Saarela Terveys, sairaus ja kulttuuri seminaari Turku BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2008

Transkriptio

1 Biologinen kello Seppo Saarela Terveys, sairaus ja kulttuuri seminaari Turku

2 Elämän rytmisyyden alku Elävät organismit sopeutuneet yö/päivärytmiin elämän alkuajoista lähtien maapallolla Circadian (diurnal) -jakson(τ, tau) pituus τ 24 h Organismeille kehittynyt kyky ennakoida ja regoida ympäristössä tapahtuviin vuorokausivaihteluihin Kyky mekanismit biologinen kello (circadian clock)

3 Muita rytmejä Ultradian - τ < 24 h infradian - τ > 24 h vuodenaikaisrytmi - seasonal, circannual

4 Biologisen kellon toiminta edellyttää 1. Itsesäätyvä 2. Resetoitivissa 3. Endogeeninen 4. Reagoi valorytmiin 5. Reagoi lämpötilaan 6. Geneettisesti ja biokemiallisesti manipuloitavissa

5 Tietoisuus biologisesta kellosta Yötön yö ja kaamos pohjoisilla leveyspiireillä Vuorotyöntekijät Lentomatkat yli aikavyöhykkeiden

6 Historiaa luku e.kr. Androstenes (Aleksanteri Suuren kirjuri): Kasvien lehdet auki päivällä ja kiinni yöllä 1700-lulu De Mairan Ensimmäinen kuvaus rytmikokeista Kasvien lehtien rytminen liike myös jatkuvassa pimeydessä (DD)

7 Historiaa luvun alku Karl von Frisch (Nobel 1973) Mutukokeet: aivoissa jokin valoa aistiva elin (käpylisäke?) Mehiläiskokeet: meden keruu klo sisäinen kello luku Lerner (1958), Axelrod (1960) (Nobel 1970) käpylisäkkeen (käpyrauhanen) melatoniini (pimeähormoni)

8 Historiaa luku Jürgen Aschoff Bunkkerikokeet (Tier Bunker -isolaatio-kokeet), joissa 3-4 viikon seuranta, NATO:n tuella Rekisteröi ihmisen uni-valve-rytmin ja ruumiinlämpötilan vuorokausirytmin free running olosuhteissa (endogeeninen rytmi n. 25 h) Cold Spring Harbour Symposium on Biological Clocks in 1960 (Aschoff, Bünning and Pittendrigh)

9 Historiaa nisäkkäiden kellogeenit (clock, Per1, Per2 ja Per3) - rytmien ekspressio kasvien fotopigmentit -fytokromita jab (phya, phyb) - kryptokromit (cry1, cry2) peittää näkyvän valon spektrin (luonnonvalo aamulla, keskipäivällä ja illalla)

10 Tunnetuimpia rytmitutkijoita Jürgen Aschoff ( ) Colin S. Pittendrigh ( ) Fred Turek Serge Daan Michael Menaker Klaus Hoffmann H. Underwood Hermann Pohl Eberhard Gwinner Joseph S. Takahashi

11 Oskillaattorit Oskillaattorien tutkiminen poistamalla oletettu rakenne leesioimalla tai kirurgisesti Nisäkkäillä pacemaker tai ohjaava oskillaattori (driving oscillator) Circadiaanisten rytmien ohjaamiseen sijoitettiin hypotalamukseen (Curt Paul Tichter 1967) Stephan & Zucker (1972) lokalisoivat sen SCN Varmennettiin glukoosin uptake-kokeilla, radioaktiivisen glukoosin esiintymisessä rytmi

12 Biologisen kellon sijainti Hypotalamuksen suprakiasmaattiset tumakkeet (SCN) Nisäkkäät Linnut

13 Biologisen kellon paikantaminen Radioaktiivisen merkkiaineen ( 14 C-2-deoksiglukoosi) sijoittuminen rotan hypotalamuksessa päivällä (A) ja yöllä (B) Newman 1993

14 SCN ja hibernaatio Golden-mantel ground squirrel hibernaation aikana c-fos mrna lisääntyy c-fos mrna ekspressoituminen moninkertaistuu heräämisen aikana Bitting et al. (1994) Neuroscience Letters

15 SCN:n hermosolut välittävät rytmin Ekstrasellulaarinen rekisteröinti Kääpiöhamsterin suprakiasmaattisen tumakkeen yksittäisten neuronien purkausten taajuus (Hz) Kahdeksan tunnin aikasiirto kadottaa rytmin Puchalski, Saarela & Lynch 1996

16 Aktogrammi Endogeenisen vuorokausirytmin pituus on noin 24 h Kuvan kääpiöhamsterilla ruokailurytmi on 23 h 36 min Kääpiöhamsteri (Phodopus sungorus) Puchalski, Saarela & Lynch 1996

17 Biologisen kellon toimintaan vaikuttavia tekijöitä Eräät lääkeaineet ja kemikaalit sekoittavat biologisen kellon rytmiä Kuvassa Fugu-kalan erittämä tetrodotoksiini vaimentaa rytmin Alhainen lämpötila saa kellon jätättämään (µmol/100g/min) Radioaktiivisen glukoosin kulutus rotan hypotalamusleikkeessä Päivä Kontrolli Tetrodotoksiini Yö Aika (tunteja) Newman (1993)

18 Rytmi tahdistuu SCN:ssa SCN

19 SCN antaa rytmin elimistölle SCN Hypotalamus Käyttäytyminen Syöminen Juominen Lisääntyminen Uni-valverytmi Lämmönsäätely Autonominen hermosto Aivolisäkkeen etulohko Osmoregulaatio Adaptiivinen käyttäytyminen

20 Ihmisen melatoniinirytmi Plasma melatonin (pg/ml) Nuori 24 v mies Vanha 68 v mies Aika (tunteja) Nair et al. 1993

21 Melatoniini kellona ja kalenterina Viesti kellonajasta Melatonin d d Viesti vuodenajasta

22 Melatoniini tahdistaa kellon SCG Käpyrauhanen SCN Cassone 1993

23 Melatoniinia erittyy Käpyrauhasesta Harderin rauhasesta Silmän verkkokalvolta Ruuansulatuskanavasta Käpyrauhanen painaa ihmisellä 150 mg

24 Neuronaaliset yhteydet verkkokalvolta käpyrauhaseen Reiter 1988

25 Pacemakerit SCN Pineal Eyes Optic lobe Brain House House Pigeons Roaches Fruit flies sparrows sparrows Java Java chickens crickets sparrows sparrows Humans Pigeons Quail Silk moths Hamsters chickens Sea hare Rats Quail African toad Ground squirrels Lizars Binkley (1993) Experientia 49,

26 Pacemakerit varpusella pineaalin todettiin olevan circadiaaninen oskillaattori poistaminen arrhytmia NAT ja HIOMT; melatoniini nisäkkäillä pineaali ei toimi oskillaattorina, vaan sen rytmiä ohjaa SCN

27 Oskilaattorit Hierarkia Monisoluisilla master clock tai varsinaiset oskillaatorit aivoissa, slave oscillators esim. endokriinisten rauhasten erittämät hormonit (mm. kortisoli, kasvuhormoni) Myös yksisoluisilla circadiaanisia rytmejä: Gonyaulax, Euglena Yksisoluisilla kaikki tarvittava koneisto rytmien synnyttämiseen solujakakautuminen, solusykli itsessään voisi liittyä oskillaatorin toimintaan tai olla osa oskillaattoria Nisäkkäillä jokaisessa solussa oma oskillaattori

28 Syklisyys häviää pimeässä Mitoottisten jakojen syklisyys häviää jatkuvassa pimeässä Carre & Edmunds (1993) J Cell Sci 104,

29 Kellogeenit

30 Period clock gene Drosophila (aikuinen)

31 C-fos geeni SCN:ssa Valaistussignaali indusoi c-fos geenin ekspressoitumista Earnest & Olshchowka 1993

32 Geenit säätävät kelloa SCN:ssä useita kellogeenejä (5-6 kpl) ja kelloproteiineja per (period) ja tim (timeless) aktivoituvat iltayöstä vastaavat proteiinit Per ja Tim muodostavat heterodimeereja tumaan (negatiivinen feedback) per ja tim ekspressio Vuorokausirytmin säätelyssä Per- ja Tim silmukka keskeinen. Useat geenit ja geenituotteet (proteiinit) lukkiutuvat keskenään ja muodostavat yhteistoiminnallisen silmukan (interlocking negative and positive feedback loops)

33 Kellogeenejä myös aivojen ulkopuolella Kellogeenejä löytyy fibroblastien solulinjoista ja useista perifeerisistä kudoksista (ks. Mistlberger et al. 2001) Tuottavat muutamia oskilloivia vuorokausirytmejä, joita voidaan saada aikaan sopivilla stimuluksilla

34 Fibroblastien luminesenssirytmi 75 fibroblastia Jokainen rivi edustaa yksittäistä solua If this is true in every tissue, then perhaps almost every cell in our body has a circadian oscillation that governs its timing. And that's a very different view than we've had before. Takahashi et al. (2004)

35 Ravinnonoton kellogeeni Sijaitsee ilmeisesti maksassa. Rajoitettu ruokinta tahdistaa rytmin (entrain) maksan Per-geenien, mutta ei SCN:n Per-geenien ekspressoitumisen avulla. (Stokkan 2001, Science 291, ) multioskillaattori teoria saa vahvistusta, yksi komponentti on food-entrainable pacemaker maksassa

36 Geenit säätävät kelloa 3 Tutkimuksia tehdään nykyään transgeenisillä mutanttihiirillä: esim. mper1 ja mper2 tai tuplamutantteja mper1/ mper2 Selkärankaisten kryptokromihomologit (CRYs) ovat negatiivisia säätelijöitä transkriptio/translaatio perusteisille vuorokausikellojen itsesäätely feedback-loopeille Rotalla pineaalin Cry1-geenin toimintaa säätelee valo ja circadiaaninen informaatio, mutta Cry2 vain circadiaaninen info (Nakamura et al 2001) Tahdistusmekanismi löytyy myös silmän fotopigmenteistä: opsiini- tai kryptokromivälitteinen tahdistin

37 Lämpötilamuutos resetoi Zebrakalan kellogeenejä 2 C muutos riittävä per4, cry2a, cry 3 ja clock1