Циркадные ритмы и метаболизм

Переводчик: Татьяна Архарова

Редактор: Вероника Рис

Источник: Pfl?gers Archiv - European Journal of Physiology

Данная статья была опубликована на сайте: CMT — Научный подход

С самого зарождения жизни на Земле живые организмы претерпевали серьёзную эволюционную адаптацию, как ответ на смену дня и ночи, а также суточных колебаний солнечного света и температуры. Многие клеточные, физиологические и поведенческие процессы связаны с 24-часовым циклом. Например, повышение частоты сердечных сокращений, артериального давления и температуры тела наблюдается утром, а вечером эти показатели «идут на спад». Эти изменения в биологической активности называются циркадными ритмами.

Существует сложная взаимосвязь между циркадными ритмами и метаболизмом, и неудивительно, что сбой циркадных ритмов может привести к метаболическим нарушениям, таким как ожирение, диабет, метаболический синдром и сердечно-сосудистые заболевания. Как следствие изменённого цикла сон-бодрствование, нарушенные циркадные ритмы могут оказывать значительное влияние на поведение и трудовую деятельность человека.

Циркадные ритмы у млекопитающих регулируются центральными циркадными часами и периферическими осцилляторами. Центральные часы расположены в супрахиазматическом ядре (СХЯ), находящемся в передней области гипоталамуса. Периферические осцилляторы находятся в различных тканях и органах организма, включая мозг, печень, жировую ткань и мышцы.

Установлено, что удаление СХЯ у крыс приводит к сбоям в циркадных ритмах. Нейроны СХЯ меняют свою активность в течение суток, «подстраиваясь» под световые сигналы. Центральные циркадные часы, в свою очередь, синхронизируют периферические и регулируют физиологические процессы в организме.

Существует большое количество циркадных генов — Clock, Bmal1, Per (Per1 и Per2) и Cry (Cry1 и Cry2), — которые контролируют циркадные ритмы млекопитающих.

Вся система работает по принципу отрицательной обратной связи. Так, белки BMAL1 и CLOCK активируют гены Per и Cry, а затем синтезируются белки PER и CRY. Когда белков PER и CRY становится много, они влияют на активность белков BMAL1 и CLOCK. Таким образом, поочерёдно снижается и увеличивается количество белков PER и CRY и BMAL1 и CLOCK.

Помимо циркадных генов существуют гены, которые находятся в зависимости от циркадных ритмов. Как правило, эти гены участвуют в регуляции различных биологических процессов, включая метаболизм.

Известно, что циркадные ритмы регулируют обмен веществ у млекопитающих. Циркадные гены контролируют наши ежедневные циклы сна-бодрствования и сытости-голода в зависимости от влияния факторов внешней среды. Также циркадная система регулирует некоторые метаболические процессы, например, углеводный обмен и метаболизм холестерина. Артериальное давление и частота сердечных сокращений также зависят от циркадных ритмов. Кроме того, уровни гормонов глюкагон и лептин в плазме, участвующих в метаболических процессах, колеблются циркадно.

Было показано, что любое нарушение во взаимодействии циркадной системы с факторами окружающей среды оказывает негативное воздействие на обмен веществ, физиологию и поведение человека. Кроме того, мутации в циркадных генах могут приводить к различным нарушениям метаболизма.

Сбой циркадных ритмов из-за изменений образа жизни может повлиять на самочувствие и физиологические процессы. Нарушение циркадных ритмов является фактором риска развития различных метаболических нарушений, таких как метаболический синдром, диабет и сердечно-сосудистые заболевания. Нарушение циркадных ритмов — сменная работа, приём пищи по ночам и др. — может привести к повышению артериального давления, снижению уровня лептина в плазме, повышению уровня глюкозы и инсулина, ухудшению качества сна.

Люди по-разному могут управлять своим временем сна и бодрствования. Есть предположения, что люди вечернего хронотипа, т.н. «совы», имеют более высокие риски метаболических нарушений.

Безусловно, необходимы дальнейшие исследования для того, чтобы понять, как именно коррелируют нарушения обмена веществ с нарушениями циркадных ритмов.

Дополнительно: какой оптимальный режим сна при работе в ночную смену, читайте в этой статье.

Нарушение циркадных ритмов из-за мутаций генов у животных связано с риском развития различных метаболических нарушений.

У мышей с мутациями в циркадных генах наблюдались метаболические аномалии, такие как гиперфагия, ожирение, гипергликемия, гиперлипидемия, гиперлептинемия и гипоинсулинемия. У мышей с мутацией в гене Bmal1 был повышенный уровень циркулирующих триглицеридов, холестерина и свободных жирных кислот, что приводило к отложению жира в органах. Кроме того, у мышей с мутациями в генах Clock и Bmal1 нарушалась секреция инсулина, что приводило к развитию диабета.

Микробиота кишечника и циркадные ритмы тоже сильно взаимосвязаны. Всё больше фактов свидетельствуют о том, что кишечная микробиота — микроорганизмы, которые в норме населяют кишечник — играет важную роль в развитии резистентности к инсулину, ожирения и метаболического синдрома.

Микробиота кишечника показывает суточные колебания как в составе микробных сообществ, так и в их метаболической активности. Эти изменения зависят от времени приёма пищи и типа питания.

Таким образом, циркадные ритмы могут изменять состав и активность микробиоты кишечника, а микробиота может влиять на метаболизм человека.

Мутации в циркадных генах также влияют на кишечную микробиоту.