Zegary okołodobowe są autonomicznymi mechanizmami utrzymywania czasu, które pozwalają żywym organizmom do przewidywania i dostosowywania się do środowiskowych rytmów świetlnych, temperaturowych i dostępności pożywienia.

Wszystkie żyjące organizmy na Ziemi doświadczają cyklicznych zmian warunków ich środowisk. Zegar okołodobowy jest drogą adaptacji do nich.

SCN jest zdolne opracowywać i rozpowszechniać na cały organizm sygnały o rytmice w przybliżeniu 24-godzinnej.

Te rytmiczne sygnały okazały się pochodzić z transkrypcyjnych/translacyjnych sprzężeń zwrotnych obejmujących zestaw genów zegarowych. Wśród wszystkich czynników zdolnych do synchronizacji SCN do dokładnie 24- godzinnego cyklu, cykl światła i ciemności jest najważniejszym czynnikiem (czynniki świetlne). Niemniej jednak mechanizm zegarowy SCN i odpowiedź świetlna mogą ulegać modulacji przez czynniki żywieniowe. Ponadto, w warunkach ograniczonego karmienia wedle harmonogramu i inne niefotyczne czynniki jak kierowane metamfetaminą, mogą również mieć wyraźny wpływ na zachowanie i fizjologię bez zmian z SCN. zatem nawet jeśli SCN jest niewątpliwie centralnym zegarem okołodobowym, inne regiony mózgu i wiele innych komórek w całym ciele wykazuje ekspresję genów zegarowych i jest zdolnych do wykazywania nieprzerwalnych oscylacji genów zegarowych. Czy zgeneralizowana ekspresja genów zegarowych sugeruje, że sieć lokalnych oscylatorów jest zarządzana przez główny zegara SCN czy też odsania istnienie nowych nadrzędnych zegarów? Analizując ostatnie dane możemy skłaniać się do drugiej opcji.

Zegar nastawiany (regulowany) żywieniem (FEC)

Pierwsze przesłanki na istnienie FEC: 1979 F.K. Stephan i wsp. zademonstrowali, że u szczurów przy powstaniu arytmiki oscylacji w wyniku obustronnego uszkodzenia SNC, dobowa rytmika aktywności ruchowej może być przywrócona, kiedy zwierzęta są przenoszone do warunków ograniczonego żywienia wg. harmonogramu ( codziennie o w tych samych punktach czasu). W tych warunkach zwierzęta rozpoczynają aktywność ruchową przed porami podawania jedzenia, zatem odzyskują swój rytm aktywności ruchowej (tz. Food Activity Activity: FAA – aktywność zorientowana na żywienie). Zjawisko to nie ogranicza się do aktywności ruchowej, ale również zaobserwowano zmiany w temperaturze ciała, która wzrasta w godzinach poprzedzających dostęp pożywienia (Food Anticipatory Thermogenesis: FAT) i podobnie zmiany kortykosteronu w osoczu (Food Anticipatory Corticosterone). Interesujące, że FAA ujawnia się tylko, jeśli jedzenie jest podawane w cyklu okołodobowym (między 22,5 – 29h). Ponadto, kiedy czas dostępu do żywności zostanie przesunięty, FAA stopniowo przesuwa się, aby dostosować się do nowych pór karmienia. Stwierdzono również, że FAA występuje również u zwierząt z nienaruszonym SCN trzymanych w warunkach stałej ciemności (DD) albo światło-ciemność (LD), kiedy żywność jest podawana podczas nieaktywnej fazy.

Wszystko to wskazuje, ze istnieje inny, odrębny od SCN zegar, który jest nastawiany przez żywienie (FEC). Ten zegar może mieć wiele dróg wyjścia wśród których można dopatrywać się regulacji temperatury i poziomu kortykosteronu. Przy ciągłym dostępie do żywności, te drogi wyjściowe byłyby blokowane na rzecz kontroli zegara SCN. W warunkach ograniczonego żywienia, wzorce dziennej aktywności ruchowej, temperatury i zawartości kortykosteronu w osoczu byłyby rezultatem wpływu tych zegarów.

Funkcjonowanie SCN

Wydaje się, że wspólną cechą mechanizmów zegarowych wszystkich organizmów badanych od sinic do ssaków jest występowanie transkrypcyjnych/translacyjnych sprzężeń zwrotnych z udziałem tzw. Genów zegarowych. W ciągu ostatnich lat wiele aspektów mechanizmu zegarowego SCN zostało poznanych, a zegary komórkowe u ssaków wydają się działać w przybliżeniu tak samo. Teraz wiadomo, że okołodobowe oscylacje opierają się na dwóch -> dodatnich i negatywnych pętlach sprzężenia zwrotnego… itd….

Dimery CLOCK:BMAL1 jest Take zdolny do aktywacji transkrypcji genów kontrolowanych zegarowo (CCG), przez interakcję z E-boxami w ich promotorach. CCG następnie dostarczają rytmicznego sygnału wyjściowego do kontroli fizjologii i zachowania. Wśród tych CCGów jest białko wiążące miejsce D wazopresyny i albuminy (DBP) jest często brane jako punkt odniesienia fazy SCN.

Czy funkcje FEC mogą powoływać się na te same geny co SCN?

Podejście mutanta.

Aby ocenić, czy zegar FEC opiera się na tych samych genach co SCN, myszy mutanty wielu różnych genów zegarowych zostały poddane warunkom ograniczonego karmienia, hipoteza, że FAA powinien ulegać ekspresji, jeśli mutacja nie ma efektu na funkcjonowanie FEC, odwrotnie – mutacja genu o istotnym znaczeniu dla FEC powinna zakłócać wyrażenie FAA.

Pierwszym genem był składowy dodatniej pętli gen Clock. W warunkach LD mutanty zachowują się normalnie, ale w stałe ciemności (DD) ich cykl wydłuża się drastycznie i stają się arytmiczne – odpowiedzialna za ten fenotyp jest transwersja pojedynczego nukleotydu w miejscu wiążącym donor. Mutanty przestawiono do warunków ograniczonego dostępu żywności (w dzień 4-ro godzinny) w warunkach LD i DD. Mutanty myszy wykazywały FAA, nawet jeśli ich cykl okołodobowy był arytmiczny w warunkach DD. Wydaje się, ze gen Clock iejest częścią mechanizmu zegarowego FEC. Warto zauważyć, że niedawno zostały otrzymane myszy z mutacją knock-out genu Clock. W przeciwieństwie do zmutowanych myszy, myszy z mutacją knock-out zachowują rytmikę w DD z długością cyklu podobną do myszy dzikich (WT-wild type).

Te rezultaty budzą możliwość, że gen Clock nie jest równie istotny jak dotychczas sądzono.

To stwierdzenie nasuwa również pytania odnośnie analiz funkcjonowania FEC.

W 2001 roku inny gen zegarowy został uznany za analogiczny Clock – Npas2. Ulega on ekspresji w całym przodomózgowiu, a jego białkowy produkt dimeryzuje z BMAL1. Sugeruje się, że zastępuje funkcją CLOCK poza SCN. W celu zbadania ewentualnej roli NPAS2 w przejawach rytmu okołodobowego, Dudley i jego koledzy studiowali wzory aktywności ruchowej i snu myszy pozbawionych Npas2 w warunkach ograniczonego karmienia. Kiedy miały ciągły dostęp do pożywienia, aktywność ruchowa tych myszy pozostawała niezmienna. W warunkach DD, są one całkowicie rytmiczne z okresem rytmu nieco krótszym niż u dzikich myszy.

Nawet jeśli ich wzór aktywności jest nieco inny od tego u dzikich myszy, zważając że NPAS2 wydaje się nie ulegać ekspresji w SCN, nie przewidywano żadnych zmian w zachowaniach okołodobowych. Ponadto myszy pozbawione Npas umieszczone w warunkach ograniczonego karmienia z pomiarem FAA rezultaty wskazują, że nawet jeśli FAA nie jest widoczne u tych myszy, ich ekspresja jest opóźniona, o wskazuje, że NPAS2 odgrywa rolę w adaptacji do warunków żywieniowych. Zatem można dociekać istnienia nieco innych molekularnych pętli sprzężenia zwrotnego w FEC w porównaniu z SCN, zawierającym zamiast CLOCK - jego analog NPAS2.

Jak już wspomniano geny Cry są niezbędnymi komponentami mechanizmu zegarowego SCN, należącym do głównej ujemnej pętli sprzężenia zwrotnego. Zaangażowanie genów Cry zostało przetestowane pod katem zachowań wyprzedzających żywienie (FAA). Cry1 albo Cry2 mutanty myszy nie wykazują większych defektów w wykazywaniu zachowań okołodobowych, natomiast mutanty zarówno Cry1 jak i Cry2 stają się arytmiczne w DD w warunkach stałego dostępu do jedzenia. Ich zachowanie rytmiki w LD jest interpretowane jako efekt maskowany przez światło i naprzemienne warunki światła i ciemności. W porównaniu do typu dzikiego podwójne mutanty myszy wykazują FAA, który jest mało stabilny i nastawiany z opóźnieniem. Wygląda na to, ze geny Cry nie są niezbędne do synchronizacji z harmonogramem żywienia, ale raczej mają wpływ na stabilność i przebieg FAA, będącego częścią FEC.

Wszystkie te badania pokazywały tylko niewielkie zmiany w FAA zamiast drastycznego tłumienia wyjścia FEC. Jest możliwe, ze wybrane drogi badania FEC nie odzwierciedlają rzeczywistych wad występujących w FEC, i tak naprawdę zbadanie poziomu kortykosteronu może być lepszą strategią.

Gen Per1 oryginalnie sklonowany przez homologię do dPer u Drosophila, i gen Per2 (analog Per1) okazały się bardzo istotne w synchronizacji SCN do warunków światło-ciemność. Ze względu na ich rolę w zegarze SCN, wydaje się, ze nie wszystkie geny Per są równe: normalnie w warunkach LD myszy pozbawione Per1 są ciągle rytmiczne w DD (chociaż inne linie myszy mutantów stają się arytmiczne). Dwie linie mutantów myszy Per2 stają się arytmiczne w stałych warunkach ciemności po kilku dniach. Będące krytyczne dla synchronizacji SCN do warunków świetlnych, jest możliwe, że geny Per są także odpowiedzialne za inne rodzaje synchronizacji (jak np.. do harmonogramu żywienia). Porównaliśmy zmutowane myszy zarówno pod względem zarówno Per1 jak i Per2 przy ograniczonym dostępie do jedzenia i wykryliśmy, że nie ma znaczących zmian w wskazywaniu FAA u myszy mutantów Per1. Interesujące, ze myszy mutanty Per2 mają zaburzone wykazywanie jakiegokolwiek przystosowania do harmonogramu żywienia jak również brak zmian aktywności ruchowej, bez względu na stosowane warunki (LD. DD, LL, czy różne warunki żywienia). W drugim przypadku myszom dostarczano 66^ ich normy spożycia kalorii, podając o różnych porach czasu, mierzonych jako średnia dzienna pobierania w przeciągu 2 tygodni ciągłego karmienia. Ren protokół żywienia jest znany z bardzo silnego wpływu na zegar SCN mając na uwadze nie tylko samo ograniczenie karmienia. Ponadto myszy tracą około 20 % swojej początkowej masy w czasie niskokalorycznego karmienia w przeciwieństwie do tradycyjnego ograniczonego sposobu karmienia, w którym myszy utrzymują zwykle stałą wagę. W dodatku do braku zmian aktywności ruchowej związanej z przewidywaniem karmienia zaobserwowano brak wzrostu temperatury – co wzmacnia hipotezę, że wykazują one poważne uszkodzenia funkcjonowania FEC, jak wynika z analizy zmienności obu objawów jego działania. SYGNAŁY WYJŚCIA=OBJAWY DZIAŁANIA (przejawy)

Wyniki te sugerują więc krytyczną rolę Per2, ale nie Per1 w molekularnej regulacji FEC. Nawet jeśli nie wszystkie mutanty genów zegarowych nie zostały zanalizowane pod względem zachowań w warunkach ograniczonego dostępu do żywności, nie można zaproponować domniemanego modelu zegara FEC, podobnego w pewnym stopniu do tego z SCN. Doprowadzające i odprowadzające ścieżki, sensory i efektory FEC nie są nadal jasno określone, tak samo jak ich dokładne położenie.

Lokalizacja FEC.

Jest wiele hipotez: pojedyncza centralna struktura, pojedynczy organ obwodowy albo system multioscylatorów wewnątrz centralnego układu nerwowego. Ponieważ wiele organów jak jelita, wątroba, czy nerki wykazuje ekspresję genów zegarowych i mogą być dostrajane przez harmonogram ograniczonego żywienia, zaproponowali, że one mogą być częścią zegara zorientowanego na warunki żywieniowe albo same stanowią FEC.

Eksperymenty wykonywane na szczurach z marskością wątroby poprzez wstrzyknięcie tetra chlorku węgla wykazały, że FAA nie jest zaburzany u tych zwierząt. Eksperymenty na szczurach z lucyferazą Per1 wykazały, że nie podnosi się rytmika w przewodzie pokarmowym, co sugeruje, że FEC nie znajduje się w wątrobie lub w innych tkankach obwodowych systemu trawiennego. Te organy jednak prawdopodobnie zawierają drogi wyjścia FEC a nawet sensory, które przesyłają stan metaboliczny organizmu do mózgu, ale FEC może istnieć jako centralna struktura lub sieć struktur, które otrzymują i integrują informacje zbierane z tkanek obwodowych i generują sygnały, które są rozpoznawane we wszystkich narządach obwodowych. Zarówno Per1 jak i Per2 nie pełnią krytycznej roli w synchronizacji organów obwodowych do czasu karmienia.

Liczne eksperymenty nie zdołały określić położenia FEC. Jednak coraz większa liczba badań sugeruje, ze FEC wynika ze wspólnej działalności sieci struktur z częściowo nadmiernymi funkcjami. Badania sugerują możliwość zaangażowania struktur korowo-limbicznych w synchronizacji zorientowanej na żywienie. Zatem przystosowaniem do warunków żywienia najprawdopodobniej zarządza sieć struktur – pokazały to liczne analizy zwierząt z uszkodzeniami różnych obszarów mózgu. Jak na razie kwestia powiązań i hierarchiczności tych struktur pozostaje wciąż otwarta.

Szlaki neurochemiczne zaangażowane w ekspresję FAA.

Glutaminergiczne, histeminergiczne i opioidergiczne szlaki .

Wśród ścieżek neurochemicznych zaangażowanych w FAA są sieci glutaminergiczne. Blokada receptorów NMDA redukuje ekspresję FAA w sposób zależny od dawki. Receptory NMDA są rozsiane w całym centralnym układzie nerwowym.

Mózgowa histamina jest uważana za pełniącą regulację zachowań towarzyszących karmieniu. Dalsze badania mają stwierdzić, czy podwzgórzowe histaminergiczne neurony są umiejscowione na drodze wejściowej czy wyjściowej sieci FEC.

Mezolimbiczny opioidowo-dopaminowy system posiada kluczową rolę w motywacji zachowań.

Myszy z mutacją knock-out mu-opioidowego receptora w warunkach ograniczonego karmienia według harmonogramu porównano z dzikimi, u których system dopaminergiczny pozostawiono bez zmian. Te pierwsze wykazywały zredukowane FAA. Te badania wskazują, ze system opioidergiczny odgrywa rolę w regulacji FAA.

Szlak oreksynergiczny, odprowadzający z FEC i promujący FAA.

System oreksynergiczny również jest zaangażowany w regulację pobierania pokarmu. Oreksyny A i B są neuropeptydami, których receptory są zlokalizowane głownie w przodomózgowiu, w podwzgórzu, jądrach wzgórza i pnia mózgu, a także w rdzeniu kręgowym. Promują one aktywność ruchową, pobieranie pokarmu i motywację zachowań w koordynację wzorców snu i czuwania. Myszy pozbawione zarówno obu genów oreksyn lub neuronów oreksynergicznych wykazują fenotypy podobne do ludzi cierpiących na narkolepsję. Ponadto, główne zarządzanie oreksyami wyzwala zachowania związane z karmieniem. Biorąc pod uwagę ważność oreksyn w kordynacji czuwania i zachowań motywowanych jak poszukiwanie pożywienia, Akiyama i wsp. Zbadali aktywność neuronów oresyn pod RF i FAA dzikiego typu i myszy pozbawionych neuronów oreksynergicznych. Oreksynergiczna neuronalna aktywacja jest przesunięta o 6 h u myszy typu dzikiego w odpowiedzi na czas dnia RF. Interesujące, że FAA jest ograniczone u myszy pozbawionych oreksynergicznych neuronów w tych samych warunkach. Wydaje się, że neurony orek synergiczne nie generują FAA same z siebie, ale mają udział w jednym z komponentów FAA – czuwaniu. Interesujące, że aktywność neuronów oreksynergicznych znacznie rośnie trakcie warunków ograniczonego żywienia według harmonogramu u dzikich myszy. Podsumowując, te badania sugerują, że neurony oreksyn mogą przekazywać sygnał odprowadzający z FEC, zwiększając tym samym aktywność w trakcie czuwania i promując utrzymywanie czasu FAA w godzinach poprzedzających żywienie.

W warunkach naturalnych te neurony mogą mieć zasadnicze znaczenie dla zwierząt do zachowań poszukiwania żywności w odpowiedzi na zmniejszoną dostępność jedzenia.

Jednak one nie mogą być komponentem FEC, ponieważ zarówno uszkodzenie elektrolityczne powierzchni bocznej podwzgórza, ani kierowane usunięcie neuronów oreksynergicznych nie znoszą FAA. Jest również możliwe, że neurony oreksynergiczne specyficznie kontrolują aktywność lokomotoryczną wychodzą przez nie z FEC. Biorąc pod uwagę, ze nie istnieją dane zmian temperatury i wydzielania kortykosteronu, te dwa przejawy FEC mogą być normalnie wykazywane u tych mutantów.

Po 30 latach badań nad FEC tylko fizjologiczne i behawioralne aspekty zegara są jasno określone – jak aktywność ruchowa, temperatura i wydzielanie kortykosteronu. Sam FEC jest tajemnicą: jego dokładna lokalizacja, drogi doprowadzające i odprowadzające (pełne spektrum przejawów jego działania i mu podległych) są jeszcze nie w pełni zdefiniowane. Dobrym kandydatem stanowiącym jego mechanizm jest DMH. Neurony oreksynergiczne mogą stanowić drogę wyjścia z FEC, a połączenie noradrenergiczne stanowi prawdopodobnie część sieci FEC. Ostatnio poczyniono wiele wysiłku, aby rozwikłać mechanizm zegarowy, który reguluje oscylacje FEC: szczególnie Per2, w mniejszym stopniu w to zaangażowane geny Npas2 i Cry, mające wpływ na machinerię FEC. Inne czynniki molekularne znane z zaangażowania w SCN nie zostały przebadane w kwestii zaangażowania w FEC.

Trzeba pamiętać, że odkrycia FEC i dróg jego wyjścia otworzą drzwi na terapie zaburzenia rytmu jedzenia, takie jakich doświadczają pracujący na zmiany lub pacjenci cierpiący na syndrom nocnego jedzenia. Ich przypadłości często prowadzą do otyłości i schorzeń układu pokarmowego i krążenia.

Lesions of the dorsomedial hypothalamus (DMH) – uszkodzenie grzbietowo-przyśrodkowe podwzgórza.