Oficiální časopis Akademie věd ČR

 


Z monitoringu tisku

 

Akademický bulletin 2010–2015

Plakat_obalky_web.jpg



Stopy AB v jiných titulech

Stopa AB v dalších médiích a knižních titulech

Abicko  > archiv  > 2003  > červenec  > obsah

Biologické hodiny v živých organismech

Obrázek k článku Obrázek k článku 

Snad každý z nás někdy zatoužil alespoň na krátký čas žít bez diktátu budíku a hodinek - vstávat a chodit spát podle libosti. Kdybychom tedy měli ony pověstné "dva roky prázdnin", kdy bychom vstávali a kdy usínali? Lišil by se náš režim výrazně od toho dnešního? Biologové

a fyziologové už dávno poznali, že všechny živé organismy včetně člověka mají v sobě určitou rytmicitu: Zkoumání různých rytmů však stále přináší mnohá překvapení. Právě na toto téma hovořila v rámci letošního Evropského týdne mozku předsedkyně AV ČR doc. RNDr. Helena Illnerová, DrSc., v přednášce nazvané Denní a sezonní hodiny v živých organismech.

Čím tedy jsou tyto rytmy dány, v čem je jejich podstata?

Jsou endogenní, skutečně vrozené - to se dlouho nevědělo. Jejich podstatu, tak jako podstatu téměř všeho, je nutno hledat v genech. I tyto rytmy jsou dány určitými geny, říkáme jim hodinové geny. Ty se pravidelně zapínají a vypínají zhruba s 24hodinovou rytmicitou. Perioda těchto rytmů není přesně 24hodinová, pohybuje se od 23 do 25 hodin. Člověk ji má většinou delší než 24 hodin a myš domácí zase kratší než 24 hodin. V přírodě je velmi důležité, aby si zvířata mohla nastavovat svůj vnitřní čas vzhledem ke slunci. Slouží jim to k orientaci a je to pro ně určitý kompas. Ale jinak je perioda rytmů zřejmě dána také tím, jak je ten který gen uzpůsoben.

Perioda dlouhá zhruba 24 hodin odpovídá přibližně rotaci Země, odráží střídání dne a noci. Ale v živých organismech, včetně lidského, jsou přece i pochody, jejichž rytmicita je daleko kratší nebo daleko delší. Čím je určována v těchto případech?

O tom se překvapivě ví velice málo. Většinou se studují 24hodinové rytmy. Skutečně existují rytmy daleko kratší - například v činnosti nervové, srdeční -, říká se jim ultradiánní. Potom jsou rytmy zhruba roční. Ale podstata této rytmicity skutečně není známa. Třeba u rytmů zhruba ročních: Dovedete si představit, že se hledá oscilátor řídící roční rytmy? Nikdo ho v rukou nemá. Podstata rytmicity začíná být velice dobře prozkoumána, ale právě jen u 24hodinových rytmů. Správně jste podotkla, že jejich perioda bude nejspíše dána střídáním světla a tmy; máte naprosto pravdu, protože v přírodě existuje více synchronizátorů, které tyto rytmy synchronizují přesně s 24 hodinovým dnem. Prvním a vůbec nejsilnějším synchronizátorem je světlo. Ale mohou být i jiné: některé drogy, střídání teplot, mohou to být i vlivy sociální.

Říkala jste, že biologické hodiny máme zakódovány v genech. Nakolik tedy hrají při synchronizaci hodin roli právě geny a jak velká je role vnějšího prostředí, o kterém jste se právě zmiňovala?

Rytmy jsou vrozené. Kdyby byl člověk nebo jakýkoli živý organismus v neperiodickém prostředí, rytmy v něm také budou probíhat. Jenom budou mít periodu ne přesně 24hodinovou. Čili vůbec nejdůležitější je naše genová vybavenost, o tom není pochyb. Ale okolní prostředí pak bude hodiny synchronizovat se 24hodinovým dnem. Čili pro funkci, pro běh hodin jsou nejdůležitější hodinové geny, které v sobě všechny živé organismy mají. Ale pro modulaci vnějším prostředím a pro synchronizaci jsou pak samozřejmě důležité další pochody. Převážně jde o způsob, jakým organismus a potažmo i člověk vnímá světlo, jak informace o světle dál postupuje až k biologickým hodinám a jak je potom ovlivňuje.

Paní docentko, vědci dnes zkoumají především funkci genů, jaké proteiny kódují a podobně. Jaké látky hrají důležitou roli v biologických hodinách a jakým mechanismem geny určují biologické rytmy v organismu?

Podstatou oné zhruba 24hodinové rytmicity je v zásadě zpětná smyčka, nebo spíš propletenec pozitivních a negativních zpětnovazebných smyček. Představte si, že máme hodinový gen označený třeba Perioda, gen Perioda - takový gen opravdu existuje. Ten se v biologických hodinách v mozku začne přepisovat. Přepisováním vzniká zpravodajská ribonukleová kyselina pro dotyčný gen. Ta se zase překládá do proteinu, do produktu příslušného genu. Když se dotyčného proteinu natvoří hodně, zpětně zablokuje přepis svého vlastního genu. Tím se samozřejmě přestává gen přepisovat, mizí zpravodajská ribonukleová kyselina, přestává se tvořit příslušný protein - a celé se to opět odblokuje. To je nejjednodušší vysvětlení zhruba z roku 1991, 1992. Ovšem v této chvíli už víme, že se toho zúčastní nejméně osm až deset genů. Že některé jejich produkty působí negativně: zablokují přepis. Jiné zase působí pozitivně: budou naopak přepis aktivovat. Dohromady to bude jeden velký koncert. A musí tam být někde nějaký dirigent. V této chvíli známe těch genů asi 10 a další se velice intenzivně hledají. Už se navíc nemluví jenom o biologických hodinách v mozku, ale biologické hodiny jsou v zásadě všude, protože i periferní orgány jsou hodinami, také mají zhruba 24hodinovou rytmicitu. Nyní se hledají geny, které jsou zapínány a vypínány s touto rytmicitou. Zkoumá se, v kterou denní dobu se přepisují konkrétní zpravodajské ribonukleové kyseliny. Už se jistilo, že ze všech genů přepisovaných v tom kterém orgánu, například v játrech, v srdci, v plicích, v mozku, se jich asi 5-10 % přepisuje s periodou zhruba 24 hodin. Celkově se pak ukazuje, že zhruba 60 genů ve všech orgánech organismu dohromady se přepisuje, to znamená zapíná a vypíná, s rytmem 24 hodin. Dnes tedy sice mluvíme o 10 hodinových genech, ale možná nakonec budeme muset říct, že jich je 60. Pak samozřejmě záleží na tom, jak se navzájem domlouvají, jak se domlouvají proteiny, jaké komplexy tvoří na deoxyribonukleové kyselině atd. Pochopit celý ten koncert, dorozumívání se a signalizaci je úžasně obtížné.

Když vlastně máme, laicky řečeno, biologické hodiny i v jednotlivých orgánech, jak organismus zařídí, že nedojde ke zmatku? Jsou některé hodiny hlavní, řídící?

Ke zmatku dochází. Jedny jasně řídící hodiny jsou uloženy přímo v mozku, v části zvané hypothalamus. Jsou to dva shluky nervových buněk, dvě jádra, kterým říkáme suprachiasmatická, protože jsou uložena u křížení optických nervů čili u optického chiasmatu. To jsou centrální hodiny. Centrální jsou proto, že zřejmě synchronizují všechny ostatní hodiny tak, aby k nim byly v určité fázi, protože je nutné, aby organismus měl časový řád, aby na jeden pochod navazoval druhý, na ten navazoval třetí a tak dále. Je to celá časová struktura živých organismů. Ale když vyndáte jednotlivé orgány z organismu a budete je mít ve zkumavce, aby přežívaly v in vitro podmínkách, zjistíte, že jednotlivé hodinové geny se tam také zapínají a vypínají se zhruba 24hodinovou periodou. Čili dotyčné orgány si drží tento rytmus, i když jsou vně organismu: mají v sobě 24hodinový rytmus zakódován. Ještě před dvěma lety se myslelo, že hodiny v ostatních orgánech mají tlumené kmity, které jsou stále menší a menší, až postupně vyhasnou, zatímco u centrálních hodin tomu tak není, že když bude daný orgán za dobrých podmínek chován v živném roztoku, že kmity budou věčné - téměř. Ale dnes se přichází na to, že i jednotlivé orgány mohou mít kmity netlumené, že rozdíl mezi centrálními hodinami a jednotlivými orgány spočívá v něčem jiném: Můžete si to skutečně představit jako orchestr. Když zmizí dirigent, začnou se jednotlivé nástroje rozcházet, každý začne hrát v nějakou jinou dobu, v nepatřičnou, a to, co předtím tvořilo krásný soulad zvuků, se najednou rozpadne. Tak je to, když nejsou v organismu centrální hodiny, což je samozřejmě u zvířat vyzkoušeno. Rytmy nevymizí, ale desynchronizují se. Jiný čas bude v ledvinách a jiný čas bude v játrech, jiný čas bude v srdíčku, jiný čas bude v mozku. Tato desynchronizace může vést k velice těžkým důsledkům. Ale navíc se v jednotlivých hodinách začnou pozvolna desynchronizovat i jednotlivé buňky, protože každá buňka je vlastně oscilátor - a ony přestávají mít synchronizaci.

Paní docentko, říkala jste, že centrální hodiny, ona suprachiasmatická jádra, se nacházejí blízko křížení optických nervů. Souvisí to nějak se skutečností, že velmi důležitou roli při synchronizaci těchto biologických hodin hraje světlo?

To určitě souvisí. Všechny centrální hodiny u jednotlivých organismů leží někde na dráze, kde je může dostihnout informace o světle. U některých nižších živočichů to může být přímo oko, protože oko je perfektní oscilátor. Ale s hodinami nacházejícími se u všech savců včetně člověka v mozku, v suprachiasmatických jádrech, se pojí jedna úžasná zajímavost, která byla objevena teprve v posledních dvou letech a na níž nyní mnoho lidí bádá: Vždy jsme se učili, že světlo vnímáme sítnicí, kde máme dva typy fotoreceptivních buněk - tyčinky a čípky, které nám umožňují vidění. Teď se však ukázalo, že vidění, které jakoby synchronizuje biologické hodiny se 24hodinovým dnem, může být úplně odlišné od vidění, jež nám umožňuje pohybovat se v prostoru. Že těmi fotoreceptory vůbec nemusí být tyčinky a čípky, ale může to být určitý druh gangliových buněk v sítnici - asi 2 % gangliových buněk mají také schopnost fotorecepce, vnímání světla! Dokonce i pigment, který zprostředkovává tento zvláštní druh vidění, tzv. melanopsin, je odlišný od fotopigmentu tyčinek a čípků - rodopsinu. Čili najednou se začínají rozlišovat dva úplně jiné druhy vnímání světla. Možná ještě zajímavější je následující fakt: Už víme, že do suprachiasmatických jader jde informace o světle po zcela jiných drahách, než jsou optické nervy. Jde po dráze vedoucí přímo z retiny, ze sítnice do hypothalamu. Proto se jí říká retinohypothalamický trakt. Ukazuje se, že informace z těchto jiných fotoreceptivních buněk v sítnici nejde jen k biologickým hodinám, k suprachiasmatickým jádrům, ale jde ještě na různá jiná místa mozku. Nyní bude velmi zajímavé zjistit, jak tato jiná místa mozku reagují na světlo a jak je světlo může ovlivňovat. Všichni tušíme, že světlo může ovlivňovat naši náladu, náš imunitní systém. To vše nemusí jít přes biologické hodiny, ale ještě jinými drahami a jiným mechanismem - a o tom zatím nic nevíme.

Jana Olivová