Biologinen kello Seppo Saarela Terveys, sairaus ja kulttuuri seminaari Turku 4.11.2008
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)
Muita rytmejä Ultradian - τ < 24 h infradian - τ > 24 h vuodenaikaisrytmi - seasonal, circannual
Biologisen kellon toiminta edellyttää 1. Itsesäätyvä 2. Resetoitivissa 3. Endogeeninen 4. Reagoi valorytmiin 5. Reagoi lämpötilaan 6. Geneettisesti ja biokemiallisesti manipuloitavissa
Tietoisuus biologisesta kellosta Yötön yö ja kaamos pohjoisilla leveyspiireillä Vuorotyöntekijät Lentomatkat yli aikavyöhykkeiden
Historiaa 1 300-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)
Historiaa 2 1900-luvun alku Karl von Frisch (Nobel 1973) Mutukokeet: aivoissa jokin valoa aistiva elin (käpylisäke?) Mehiläiskokeet: meden keruu klo 16-18 sisäinen kello 1950-1960-luku Lerner (1958), Axelrod (1960) (Nobel 1970) käpylisäkkeen (käpyrauhanen) melatoniini (pimeähormoni)
Historiaa 3 1960-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)
Historiaa 4 1997 nisäkkäiden kellogeenit (clock, Per1, Per2 ja Per3) - rytmien ekspressio 1999-2001 kasvien fotopigmentit -fytokromita jab (phya, phyb) - kryptokromit (cry1, cry2) peittää näkyvän valon spektrin (luonnonvalo aamulla, keskipäivällä ja illalla)
Tunnetuimpia rytmitutkijoita Jürgen Aschoff (1913-1998) Colin S. Pittendrigh (1919-1996) Fred Turek Serge Daan Michael Menaker Klaus Hoffmann H. Underwood Hermann Pohl Eberhard Gwinner Joseph S. Takahashi
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
Biologisen kellon sijainti Hypotalamuksen suprakiasmaattiset tumakkeet (SCN) Nisäkkäät Linnut
Biologisen kellon paikantaminen Radioaktiivisen merkkiaineen ( 14 C-2-deoksiglukoosi) sijoittuminen rotan hypotalamuksessa päivällä (A) ja yöllä (B) Newman 1993
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 165. 117-121
SCN:n hermosolut välittävät rytmin Ekstrasellulaarinen rekisteröinti Kääpiöhamsterin suprakiasmaattisen tumakkeen yksittäisten neuronien purkausten taajuus (Hz) Kahdeksan tunnin aikasiirto kadottaa rytmin Puchalski, Saarela & Lynch 1996
Aktogrammi Endogeenisen vuorokausirytmin pituus on noin 24 h Kuvan kääpiöhamsterilla ruokailurytmi on 23 h 36 min Kääpiöhamsteri (Phodopus sungorus) Puchalski, Saarela & Lynch 1996
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 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Päivä Kontrolli Tetrodotoksiini Yö 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Aika (tunteja) Newman (1993)
Rytmi tahdistuu SCN:ssa SCN
SCN antaa rytmin elimistölle SCN Hypotalamus Käyttäytyminen Syöminen Juominen Lisääntyminen Uni-valverytmi Lämmönsäätely Autonominen hermosto Aivolisäkkeen etulohko Osmoregulaatio Adaptiivinen käyttäytyminen
Ihmisen melatoniinirytmi Plasma melatonin (pg/ml) 140 120 100 80 60 40 20 0 Nuori 24 v mies Vanha 68 v mies 0 5 10 15 20 25 30 Aika (tunteja) Nair et al. 1993
Melatoniini kellona ja kalenterina Viesti kellonajasta Melatonin d d Viesti vuodenajasta
Melatoniini tahdistaa kellon SCG Käpyrauhanen SCN Cassone 1993
Melatoniinia erittyy Käpyrauhasesta Harderin rauhasesta Silmän verkkokalvolta Ruuansulatuskanavasta Käpyrauhanen painaa ihmisellä 150 mg
Neuronaaliset yhteydet verkkokalvolta käpyrauhaseen Reiter 1988
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, 648-653
Pacemakerit varpusella pineaalin todettiin olevan circadiaaninen oskillaattori poistaminen arrhytmia NAT ja HIOMT; melatoniini nisäkkäillä pineaali ei toimi oskillaattorina, vaan sen rytmiä ohjaa SCN
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
Syklisyys häviää pimeässä Mitoottisten jakojen syklisyys häviää jatkuvassa pimeässä Carre & Edmunds (1993) J Cell Sci 104, 1163-1173
Kellogeenit
Period clock gene Drosophila (aikuinen)
C-fos geeni SCN:ssa Valaistussignaali indusoi c-fos geenin ekspressoitumista Earnest & Olshchowka 1993
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)
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
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)
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, 490-493) multioskillaattori teoria saa vahvistusta, yksi komponentti on food-entrainable pacemaker maksassa
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
Lämpötilamuutos resetoi Zebrakalan kellogeenejä 2 C muutos riittävä per4, cry2a, cry 3 ja clock1