Oscylator porywany przez żywność

Oscylator pochłaniający żywność (FEO) to zegar okołodobowy , który można aktywować , zmieniając czas prezentacji żywności. Odkryto go, gdy znaleziono rytm w aktywności szczurów. Nazywano to aktywnością przewidywania pokarmu (FAA) i jest to sytuacja, w której aktywność myszy podczas biegania spada po karmieniu, a następnie gwałtownie wzrasta w godzinach poprzedzających karmienie. Wydaje się, że FAA występuje u ssaków innych niż ssaki (gołębie/ryby), ale badania koncentrują się głównie na jego obecności u ssaków. Ta rytmiczna aktywność nie wymaga jądra nadskrzyżowaniowego (SCN), centralnego oscylatora okołodobowego u ssaków, co sugeruje istnienie oscylatora, FEO, poza SCN, ale mechanizm i lokalizacja FEO nie jest jeszcze znana. Trwają badania mające na celu zbadanie, czy FEO jest jedynym oscylatorem w ciele, który nie jest porywany przez światło.

Odkrycie

Curt Richter rozpoczął badanie aktywności antycypacyjnej pokarmu (FAA) po tym, jak zaobserwował rytm aktywności koła szczurów w odniesieniu do stałych pór karmienia. W swoim eksperymencie Richter karmił szczury trzymane w stałych warunkach środowiskowych codziennie w południe przez dwadzieścia pięć minut. Odnotowano spadek aktywności koła szczurów natychmiast po karmieniu, a następnie gwałtowny wzrost w ciągu 2 do 3 godzin przed ponownym karmieniem. Ten dzienny 24-godzinny wzorzec utrzymywał się i odkryto, że zależy od czasu podania pożywienia. Richter przypisał to zachowanie „funkcjonowaniu przypominającemu zegar” żołądka.

Występowanie zachowań antycypacyjnych zostało potwierdzone w dodatkowych badaniach dotyczących wpływu dziennych harmonogramów karmienia na zachowanie zarówno szczurów, jak i myszy. Na przykład Bolles i deLorge odkryli, że szczury wystawione na 24-godzinny cykl światło-ciemność (LD) wykazywały antycypacyjną aktywność w postaci biegania na kole, gdy utrzymywano je w ramach 24-godzinnego harmonogramu karmienia. Ten sam przewidywalny rytm nie był jednak utrzymywany w 19- i 29-godzinnym harmonogramie karmienia, co sugeruje, że FAA była kontrolowana albo przez zewnętrzne 24-godzinne sygnały świetlne, albo przez 24-godzinny zegar dobowy. Chociaż wkrótce odkryto, że aktywność szczurów była zgodna z narzuconymi z zewnątrz harmonogramami oświetlenia przez okres do 28 godzin, ale została utracona po 29 godzinach. W związku z tym stwierdzono, że sygnały świetlne nie są ani koniecznym, ani wystarczającym wkładem do wywołania zachowania antycypacyjnego.

Dalsze badania FAA w latach 70. XX wieku wykazały, że autonomiczny oscylator okołodobowy poza jądrem nadskrzyżowaniowym (SCN) musi kontrolować aktywność przewidywania pokarmu. SCN to region w mózgu, o którym wiadomo, że kontroluje rytmy okołodobowe u ssaków, na które mogą wpływać zewnętrzne bodźce świetlne. Badacz Friedrich Stephan ustalił, że szczury z uszkodzeniem SCN utrzymywane w stałym świetle (LL) wykazują antycypacyjne zachowanie polegające na naciskaniu dźwigni przy harmonogramach karmienia poniżej 23 i 25 godzin, ale nie 18 lub 30 godzin. Zaobserwowano również przewidywane bieganie na kole przy harmonogramach karmienia poniżej 23 godzin, ale nie przy harmonogramach 18-godzinnych. Stephan przypisał te wyniki oscylatorowi okołodobowemu, zwanemu oscylatorem pochłaniającym pokarm (FEO), który kontroluje zachowanie antycypacyjne. Określono, że FEO jest autonomiczny i okołodobowy, ponieważ jego 24-godzinny rytm utrzymywał się w stałych warunkach i mógł być również przenoszony do zakresu przerw w karmieniu. Wyniki sugerowały, że przewidywana aktywność biegu rozwijała się w ciągu 2-4 dni od eksperymentu i równie szybko u szczurów ze zmianami SCN niż u szczurów kontrolnych. Ponadto stwierdzono, że ograniczone harmonogramy karmienia są w stanie porwać te oscylatory okołodobowe i umożliwić szczurom przewidywanie 24-godzinnego harmonogramu karmienia. Było to ważne odkrycie w dziedzinie biologii okołodobowej, ponieważ podkreśliło potencjalne istnienie innych oscylatorów okołodobowych poza SCN, który uważano za główny zegar okołodobowy u ssaków.

Wyniki eksperymentów na myszach z uszkodzeniem SCN wykazały, że zmiany SCN znoszą rytmy behawioralne związane z swobodnym biegiem i światłem-ciemnością (LD), ale nie zakłócają rozwoju przewidywalnego zachowania związanego z bieganiem po kole lub naciskaniem dźwigni. W związku z tym FEO musi znajdować się poza SCN. Inne eksperymenty wykazały również, że FEO nie występuje w dziesiątkach innych obszarów mózgu, chociaż anatomiczna lokalizacja FEO pozostaje nierozwiązaną tajemnicą okołodobową.

Mechanizm

Elementami zegara okołodobowego są wejście, rozrusznik serca i wyjście. Wejściem samopodtrzymującego się oscylatora, FEO, jest żywność, a wyjściem jest aktywność antycypacyjna żywności (FAA). Aktywność ta jest skorelowana ze wzrostem aktywności organizmu przed porą karmienia. FAA jest obecny w stałych warunkach, takich jak post/karmienie ograniczone czasowo, i synchronizuje się z pokarmem, który jest prezentowany w odstępach czasu zgodnych z rytmem okołodobowym (24-godzinnym). Karmienie ograniczone czasowo ma miejsce, gdy całe dzienne spożycie kalorii jest ograniczone do określonych pór dnia. Częsty mechanizm okołodobowego pomiaru czasu obejmuje CLOCK / BMAL , geny kryptochromu / okresu oraz pętlę sprzężenia zwrotnego transkrypcji / translacji (TTFL) działającą w jądrze nadskrzyżowaniowym (SCN). Geny zegarowe są transkrybowane i tłumaczone na produkt białkowy, a białko to gromadzi się i hamuje promotor genów zegarowych przed zainicjowaniem transkrypcji. Jednak myszy z mutantem CLOCK, nokautem kryptochromu (Cry), nokautem okresu (Per) i nokautem SCN miały obecne FAA, więc wydaje się, że FEO nie działa poprzez tradycyjny mechanizm dobowego pomiaru czasu.

Geny okołodobowe

Badania wykazały, że myszy z nokautem Per1, Per2 i Per3 nadal mają solidne FAA; te geny nie są niezbędne do aktywności oscylacyjnej FEO. Badania nad myszami z nokautem Bmal1 były bardziej zróżnicowane, ale wiele badań wykazało, że FAA można osiągnąć bez genu Bmal1. Myszy z nokautem Cry1, Cry2 i NPAS 2 (paralog genu zegara) również wykazują aktywność FAA, więc żadna z nich nie jest konieczna do FEO. Mimo to te geny okołodobowe mają modulujący wpływ na aktywność FEO. Myszy, u których usunięto geny Per1/Per2/Per3, mają rytmy FEO ze skróconymi okresami i to samo dotyczy myszy z nokautem Cry1. Myszy z nokautem Cry2 mają dłuższe okresy dla swoich rytmów FEO. Zatem geny Per i Cry są zaangażowane, ale nie są konieczne do pomiaru czasu FEO. Myszy z nokautem NPAS2 wykazują opóźnioną ekspresję FAA, więc wpływa to na wejście / wyjście FAA lub sam pomiar czasu FEO. Badania, które dotyczyły tych myszy z nokautem, przeprowadzili Pitts i in., Iijima i in. oraz Pendergast i in. Jednak ekspresja genu zegara drastycznie wzrasta w grzbietowo-przyśrodkowych jądrach podwzgórza (DMH) podczas ograniczonego karmienia, a ekspresja ta trwa bez karmienia, co wskazuje na okołodobową aktywność oscylacyjną FEO. Tak więc jest prawdopodobne, że tradycyjne geny zegarowe są mocno zaangażowane lub niezbędne dla FEO. To wciąż nie jest rozwiązane.

Sygnalizacja neuroprzekaźnikowa

Spośród badanych neuroprzekaźników tylko zakłócenie szlaku sygnałowego dopaminy wydaje się zakłócać normalny FAA. Postuluje się, że FEO może znajdować się w obwodzie dopaminergicznym. Myszy bez funkcjonalnego receptora dopaminy D1 miały atenuowany FAA. Myszy, którym podano agonistę receptora D1, wykazują FAA bez ograniczonego karmienia (warunek wymagany w innym przypadku). Tak więc szlak dopaminy reguluje FAA, ale nie jest jasne, czy wpływa na część wejściową, stymulatorową lub wyjściową szlaku FEO.

Sygnalizacja hormonalna i neuropeptydowa

Hormony zaangażowane w regulację przyjmowania pokarmu zostały zbadane pod kątem ich roli w mechanizmie pomiaru czasu FEO. Leptyna , hormon, który hamuje przyjmowanie pokarmu, nie jest wymagana do FAA, ale wpływa na zakres FAA. Grelina , hormon, który zwiększa się w osoczu przed posiłkiem i aktywuje szlak dopaminergiczny, również ma wpływ modulujący na FAA, ale nie jest do tego konieczny. Szlaki sygnalizacyjne leptyny i greliny prowadzą do systemu melanokortyny podwzgórza , a badania tego systemu wykazały również, że moduluje on FAA, ale nie jest dla niego niezbędny.

Neuropeptydy , oreksyna A i B , stymulują przyjmowanie pokarmu i mają modulujący wpływ na FAA, ale nie są do tego niezbędne . Neuropeptyd Y również stymuluje przyjmowanie pokarmu i zwiększa ekspresję przed karmieniem ograniczonym, ale nie stwierdzono, aby wpływał na FAA. Białka biorące udział w szlaku SCN ( prokinetycyna 2 (PK2), wazoaktywny peptyd jelitowy (VIP), peptyd aktywujący przysadkową cyklazę adenylanową (PACAP)) nie wpływają na FAA. Sirtuina 1 (Sirt1) reguluje reakcje fizjologiczne na przyjmowanie pokarmu i wydaje się modulować, ale nie jest konieczna dla FAA. RGS16 , gen regulujący sygnalizację receptora sprzężonego z białkiem G, osłabia FAA, ale również nie jest do tego niezbędny.

Lokalizacja u ssaków

Szukaj FEO

Aż do lat 90. uważano, że SCN kontroluje wszystkie aspekty pomiaru czasu. Jednak dobrze przyjmuje się, że tkanki obwodowe, w tym wątroba i jelita, również zawierają maszynerię molekularną. Te peryferyjne oscylatory otrzymują informacje o resetowaniu fazy z SCN, ale reagują również na inne czynniki pobudzające, takie jak post/karmienie, które są najważniejsze. SCN może hamować lub aktywować zachowanie podwzgórza, które stymuluje zachowanie, stymulację neuroendokrynną do wydzielania hormonów i przedautonomiczne neurony podwzgórza, które wpływają na przywspółczulne i współczulne ośrodki autonomiczne w pniu mózgu i rdzeniu kręgowym (grzbietowe jądro ruchowe nerwu błędnego), międzyśrodkowo-boczną kolumnę kręgosłup). Uważa się, że zarówno sygnalizacja neuronalna, jak i tkanki obwodowe, takie jak jelita i wątroba, wysyłają informacje metaboliczne do podwzgórza przez jądro pasma samotnego (NTS) i jądro przyramienne. Te zegary obwodowe i SCN dostarczają do podwzgórza informacji o homeostazie energetycznej. Chociaż dokładna lokalizacja nie została zidentyfikowana, wydaje się, że te oscylatory są porywane głównie przez sygnały karmienia i postu, zmiany w czasie, ilość / skład żywności oraz zakłócenie normalnego zegara.

podwzgórze

Identyfikacja możliwych lokalizacji anatomicznych FEO pozostaje nierozwiązana. Jednak ostatnie prace podkreślają, gdzie FEO może nie być zlokalizowane, co prowadzi do alternatywnych możliwości, że FEO może nie znajdować się w odrębnym miejscu anatomicznym. Praca Gooleya i in. sugeruje, że grzbietowo-przyśrodkowe jądra podwzgórza (DMH) mogą być zaangażowane w generowanie aktywności antycypacyjnej pokarmu (FAA). Po wywołaniu zmian specyficznych dla komórek w DMH, FAA u szczurów zmniejsza się i jest dodatkowo wspierany przez pomiar EEG u tych gryzoni. Jednak doniesienia te zostały zakwestionowane przez Landry i in. które pokazują, że szczury z uszkodzeniem DMH nadal wykazują zachowanie oczekiwania na posiłek, nawet w okresach całkowitego pozbawienia pożywienia.

Czujnik składników odżywczych

Czujniki składników odżywczych gatunków ssaków, w szczególności kinaza białkowa aktywowana przez AMP (AMPK). Sugerowano, że AMPK jest potencjalnym źródłem oscylatora obwodowego, ponieważ jest krytycznym czujnikiem składników odżywczych, który znajduje się w każdej tkance ciała. W podwzgórzu AMPK mierzy równowagę dostępnej energii (ATP). Aktywowany AMPK odpowiada na zwiększone spożycie pokarmu i zwiększoną ekspresję oreksygenicznych neuropeptydów NPY i białka związanego z agouti (AgRP) w jądrze łukowatym podwzgórza. Zaproponowano, że AMPK jest wewnętrznym oscylatorem składników odżywczych w przeciwieństwie do światła, uważając, że światło nie może przeniknąć do wszystkich komórek tkanek ssaków. AMPK przyczynia się również do okołodobowej fosforylacji CRY1, zmniejszając asocjację Per2. Obecność lub brak glukozy i kwasów tłuszczowych, utrata AMPK w wątrobie myszy doprowadziła do zakłócenia rytmów okołodobowych w genach zegara wątrobowego, wskazując na ideę, że AMPK ma bardzo ścisłe powiązania w tym, jak regulacja składników odżywczych w tkankach obwodowych może odgrywać rolę w w szczególności zmieniając zegar dobowy.

Inny czujnik składników odżywczych w białku wiążącym element odpowiedzi na cAMP (CRE) (CREB) również odgrywa rolę i może być zaangażowany jako część lokalizacji FEO. Sugerowano, że CREB w tkankach obwodowych, takich jak wątroba, bierze udział w okołodobowej fosforylacji i regulacji apetytu. W szczególności fosforylacja CREB wzrasta w okresach postu i zmniejsza się w okresach karmienia. Zarówno w modelach szczurów, jak i chomików stwierdzono, że bodziec świetlny w nocy zwiększa fosforylację CREB, co prowadzi do zwiększonej transkrypcji c-fos, jak również do wzrostu transkrypcji Per w SCN, która, jak się uważa, bierze udział w porywaniu. Uważa się, że wywołane karmieniem zmiany możliwego miejsca FEO, takiego jak CREB, zachodzą tylko w tkankach obwodowych, co sugeruje, że może to być mechanizm, w którym zmiany wywołane pokarmem mogą wpływać na desynchronizację między zegarami centralnymi i obwodowymi.

Jelito

Sygnalizacja jelitowa u ssaków może mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia porywania pokarmu/postu zarówno u gryzoni, jak iu ludzi — w szczególności mikrobiomu jelitowego, kwasów żółciowych, inkretyn, składników odżywczych i metabolitów. Przykładem tego jest reakcja wątroby, gdy pożywienie jest dostępne, z odnotowanymi ~5000 aktywnych transkryptów wątrobowych, które są regulowane w górę w oczekiwaniu na pokarm u gryzoni w porównaniu z ~350 transkryptami podczas ograniczenia pokarmu. Te antycypacyjne mechanizmy żywieniowe wskazują na wzajemne powiązania oscylatorów obwodowych, takich jak mikroflora wątroby i jelit. Wykazano, że zwierzęta i ludzie, którzy doświadczają „pracy zmianowej” poza normalnymi cyklami postu/karmienia, wykazują zakłócenia w cyklach karmienia, na co wskazują zmiany genów okołodobowych. Potwierdzając to, prace obserwacyjne ludzi wykazały niższy wydatek energetyczny w nocy i polimorfizmy pojedynczego nukleotydu (SNP) w genie CLOCK z odnotowaną podatnością na zwiększone ryzyko zespołu metabolicznego. Mając to na uwadze, jelito jest tak peryferyjnym celem dla FEO ze względu na jego połączenie z mózgiem i spożywanymi pokarmami. Kandydującymi celami w jelitach do porywania może być światło jelita, które ma tak bliski kontakt z żywnością, wyraźnie komórki enteroendokrynne (EEC). Identyfikacja EEC jako możliwego źródła FEO polega na tym, że zawierają one wiele wrażliwych na składniki odżywcze i zależnych receptorów, które mogą wyzwalać sekcję peptydów jelitowych, w tym inkretyny, peptyd YY, cholecystokininę, gastrynę, serotoninę i sekretynę.

Nie-ssaki

U gołębi

U gołębi istnieją dowody na to, że FEO działa niezależnie od oscylatorów, które można porywać fototycznie. Projekt eksperymentalny mający na celu potwierdzenie obecności FEO u szczurów polegał na uszkodzeniu ich SCN, ale ponieważ nie jest możliwe uszkodzenie SCN gołębi, aby udowodnić obecność FEO, gołębie trzymano w 12-godzinnym cyklu światła i 12-godzinnym cyklu ciemności i karmiono w codziennie o ustalonej porze. W oczekiwaniu na karmienie temperatura ciała gołębi wzrosła. Kiedy gołębie nie otrzymały swojego codziennego posiłku, ich normalne zachowanie antycypacyjne utrzymywało się. Dopiero karmienie ad lib spowodowało swobodny bieg ptaków, co potwierdza obecność oddzielnego oscylatora, który może przenosić pokarm.

W złotych rybkach

Eksperymentalne badanie mające na celu ustalenie, czy aktywność oscylatora porywającego pokarm występuje u złotych rybek Carassius auratus wykazało, że złota rybka wykazała FAA i że zaplanowane karmienie było w stanie wywołać rytmy aktywności lokomotorycznej złotych rybek. Po podaniu jednego posiłku raz dziennie w środku dnia, u ryb rozwinęło się oczekiwanie na pokarm, które trwało nawet po przeniesieniu ryb z warunków LD do stałych warunków DD. Dodatkowo, gdy cykl karmienia został przesunięty o 9 godzin w DD, ryby były w stanie ponownie zsynchronizować swoje rytmy aktywności z porami karmienia. Kontynuacja synchronizacji i adaptacji ryb do nowych pór żerowania w DD świadczy o tym, że żerowanie, a nie światło powodowało rytmy w aktywności antycypacyjnej.

Jednak potrzebne są dalsze badania, aby ostatecznie udowodnić obecność FEO w rybach. Oczywiste jest, że w DD pokarm działa jako jedyna rzecz, która może porywać ryby, ale możliwe jest, że w LD FEO i oscylator porywający światło (LEO) współpracują ze sobą i są sprzężone, powodując antycypacyjne rytmy. Możliwe jest również, że inny mechanizm pozwala rybom przewidywać czas jedzenia, więc z badania wynika, że ​​ryby albo mają oddzielne, ale sprzężone FEO i LEO, albo pojedynczy oscylator, który porywa zarówno pokarm, jak i światło.

W 2008 roku przeprowadzono dalsze badania w celu zbadania obecności FEO w Carassius auratus . Kiedy złote rybki zostały po raz pierwszy wystawione na cykl 12:12 LD i karmione o 12:00. Po przeniesieniu do stałego światła ryby wykazywały aktywność przewidywania pokarmu i miały około 24-godzinny okres swobodnego biegu. Ponieważ złote rybki były w stanie zapamiętać czasy karmienia, gdy ich cykl świetlny został zakłócony, to badanie sugeruje, że złote rybki są w stanie zapamiętać codzienne czasy karmienia, a zatem mają oscylator, który może porywać pokarm, chociaż jego lokalizacja pozostaje nieznana.