Rytmika okołodobowa i zegar biologiczny

Transkrypt

1 PRACA POGLĄDOWA ISSN Sen 2002, Tom 2, Nr 4, SEN Rytmika okołodobowa i zegar biologiczny Circadian rhythmicity and biological clock Jolanta B. Zawilska 1, 2, Jerzy Z. Nowak 1, 3 1 Zakład Amin Biogennych Polskiej Akademii Nauk w Łodzi 2 Zakład Farmakodynamiki Uniwersytetu Medycznego w Łodzi 3 Zakład Farmakologii Uniwersytetu Medycznego w Łodzi Abstract Circadian rhythmicity and biological clock In organisms of diverse prokaryotes and eukaryotes numerous processes occur in a rhythmic manner. The most common biological rhythms are circadian rhythms with an endogenous period of about 24 h. They are generated by an endogenous pacemaker, termed circadian clock, and are synchronized with environmental lighting conditions. Molecular mechanisms of the circadian clock functioning include rhythmic expression of clock genes, with a negative feedback loops, where clock proteins inhibit their own transcription/translation together with the positive transcription and translation processes. Dysregulation of the circadian rhythmicity has been found in diverse pathophysiological conditions in humans, including aging and neurodegenerative disorders, affective disorders, circadian sleep disorders, night or shift work. This review describes basic features of biological rhythms, the current concept of the structure and function of biological clock, and involvement of light and the pineal hormone melatonin in the regulation of biological clock. Special emphasis is given to the potential therapeutic effectiveness of light and melatonin in the treatment of the biological rhythm-related disorders. Key words: biological rhythms, light, suprachiasmatic nuclei, melatonin, pineal gland, chronobiological sleep disorders Adres do korespondencji: Prof. dr hab. n. farm. Jolanta Zawilska Prof. dr hab. n. med. Jerzy Z. Nowak Zakład Amin Biogennych PAN w Łodzi, skr. poczt Łódź 1 tel.: (0 42) faks: (0 42) jolantaz@amina1.zabpan.lodz.pl Wstęp Obserwacje i badania cyklicznie zmieniających się procesów w świecie roślinnym i zwierzęcym są prowadzone od starożytności, a zdobywana wiedza nie tylko zaspokajała ciekawość człowieka, ale przede wszystkim pozwalała mu przewidzieć wiele zjawisk w świecie przyrody oraz przystosować do nich swoją aktywność życiową i gospodarczą. Pomimo tak bogatej historii chronobiologii dziedziny naukowej, zajmującej się różnymi aspektami rytmów biologicznych dopiero w ostatnim półwieczu nastąpił jej niezwykle dynamiczny i wielopłaszczyznowy rozwój od zjawisk behawioralnych, przez genetykę i biologię molekularną, do terapii. Większość procesów w organizmach roślinnych i zwierzęcych oraz w organizmie człowieka zmienia się w sposób cykliczny od oscylacji milisekundowych do fluktuacji w cyklu rocznym. Wiele rytmów biologicznych wykształciło się w toku ewolucji jako odpowiedź adaptacyjna organizmów na cyklicznie zmieniające się warunki panujące na Ziemi (przede wszystkim oświetlenia i temperatury), które wynikają z ruchów rotacyjnych planety. Obrót Ziemi dookoła własnej osi powoduje występowanie dnia i nocy, zaś obieg Ziemi wokół Słońca, w połączeniu z nachyleniem osi planety w stosunku do ekliptyki 1, warunkuje następstwo pór roku. Organizmy żywe wykształciły w toku ewolucji liczne systemy zegarowe, które mają zdolność do pomiaru 1 Sezonowe zmiany klimatyczne wiążą się z tym, że oś obrotu Ziemi nie jest pionowa, lecz lekko nachylona (o 23,5 o ) w stosunku do płaszczyzny jej obiegu wokół Słońca. W wyniku takiego nachylenia w czasie ruchu dookoła Słońca jeden obrót w ciągu całego roku oświetlenie Ziemi nie jest jednakowe: promienie słoneczne padają na jej północną i południową półkulę bardziej prostopadle latem bądź bardziej ukośnie zimą

2 SEN 2002, Tom 2, Nr 4 2 Sygnały te nazywany naturalnymi synchronizatorami endogennych zegarów biologicznych lub wskazówkami czasu (ang. time cues), albo dawcami czasu (niem. termin Zeitgebers wprowadzony przez niemieckiego chronobiologa Jürgena Aschoffa). czasu w cyklu dobowym, lunarnym (28-dniowym) oraz rocznym. Przykładami zjawisk występujących u kręgowców i przebiegających w rytmie sezonowym są: cykl wzrostu i reprodukcji, migracje (często spotykane u ryb, gadów i ptaków, a także u niektórych gatunków ssaków), okresowe zmiany koloru i gęstości futra, sen zimowy (hibernacja). Rytmikę okołodobową (circadialną; circa około, dies dzień) wykazują natomiast: rytm senczuwanie (aktywność), szybkość pracy serca i ciśnienie tętnicze, zmiany temperatury ciała, zmiany stężenia we krwi takich hormonów, jak: ACTH, kortyzol, hormon wzrostu, prolaktyna i melatonina [1 4]. Większość czynności wykonywanych w warunkach naturalnych przez organizmy żywe (wyjątkiem ale tylko do pewnego stopnia może być człowiek współczesny) służy czasowej organizacji funkcji tkanek, narządów, a także całych organizmów w odniesieniu do cyklicznego następstwa dnia i nocy. Cechą charakterystyczną większości rytmów biologicznych jest ich endogenne pochodzenie. Oznacza to, że na przykład rytmy biologiczne występujące w ciągu doby nie są prostą odpowiedzią na cyklicznie występujące zmiany oświetlenia w środowisku, odbierane jako dzień (światło) i noc (ciemność), ale są wytwarzane (generowane) przez wewnętrzne dobowe/okołodobowe oscylatory, nazywane zegarami biologicznymi. Rytmy te będą się nadal utrzymywały przez okres co najmniej kilku dni w tak zwanym środowisku bezsygnałowym, czyli w warunkach stałej ciemności lub, znacznie rzadziej, ekspozycji na światło. Mimo braku informacji zewnętrznych o upływającym czasie (jednostajne warunki oświetlenia) zegar biologiczny dalej odmierza czas na podstawie zapamiętanych, wcześniejszych informacji środowiskowych. Jeżeli jednak brakuje sygnałów ze strony środowiska, które synchronizują pracę zegara 2, ulega on stopniowo subtelnym rozregulowaniom, co z kolei prowadzi do zjawiska dryfowania rytmów biologicznych generowanych przez zegar. Badania przeprowadzone przez zespół Jürgena Aschoffa, a następnie przez inne zespoły badawcze, obejmujące ochotników przebywających w specjalnych pomieszczeniach (w tym w tzw. bunkrach), w warunkach uniemożliwiających ocenę upływającego czasu (stałe warunki oświetlenia, brak zegarka, radia, telewizora, swobodny dostęp do zapasów żywności), wykazały, że podstawowe rytmy okołodobowe, takie jak: rytm temperatury ciała, snu-czuwania, stężenia we krwi kortyzolu i melatoniny zaczynały dryfować, czyli przebiegać w taki sposób, że pełny cykl rytmu był dłuższy (znacznie rzadziej krótszy) niż 24 godziny. Takie rytmy dryfujące nazywa się również rytmami swobodnie biegnącymi (free-running) [2, 5 8]. Dryfowanie rytmów okołodobowych obserwuje się nie tylko w warunkach doświadczalnych, ale także co ma swoje implikacje patofizjologiczne i terapeutyczne u osób niewidomych, które całkowicie utraciły zdolność odbioru fotonów światła, u osób przebywających w jednostajnych warunkach oświetlenia (np. załogi łodzi podwodnych, grotołazi, pracownicy stacji polarnych, załogi stacji orbitalnych), czy u osób, u których doszło do uszkodzenia bądź zniszczenia naczelnego zegara biologicznego (np. powypadkowe uszkodzenie jąder nadskrzyżowaniowych podwzgórza) [1, 4, 9 14]. Światło jako najważniejszy czynnik środowiska, synchronizujący rytmy okołodobowe Cechą charakterystyczną rytmu okołodobowego jest jego wrażliwość na światło i, rzadziej, na temperaturę 3. Światło w dwojaki sposób wpływa na rytmy okołodobowe. Może przesuwać fazę rytmu przyspieszać (phase advance; przesunięcie do przodu występuje, gdy bodziec świetlny zadziałał w drugiej połowie nocy) lub opóźniać (phase delay; przesunięcie do tyłu fazy występuje w wyniku ekspozycji na światło w pierwszej połowie nocy). Ponadto, światło może zakłócić przebieg badanego parametru w danym cyklu (tzw. efekt ostry działania światła), nie powodując jednocześnie przesunięcia faz rytmu okołodobowego [15 18]. Najczęściej, aby zaobserwować działanie na fazy rytmów okołodobowych, konieczne jest zastosowanie bodźca świetlnego o odpowiednio dużym natężeniu lub odpowiednio długim czasie trwania. Klasycznym przykładem rytmu, w którym stosunkowo łatwo można oddzielić wyżej wymienione efekty światła, jest okołodobowy rytm melatoniny. Krótkotrwała ekspozycja zwierząt doświadczalnych oraz człowieka na światło w nocy (lub fazie ciemnej sztucznego dobowego cyklu oświetleniowego światło-ciemność) prowadzi do szybkiego i dramatycznego zmniejszenia bądź zahamowania produkcji melatoniny, rejestrowanego w postaci spadku stężenia melatoniny we krwi, oraz u zwierząt laboratoryjnych poziomów melatoniny w szyszynce (główny organ syntetyzujący hormon) i w siatkówce. Dłuższa ekspozycja na światło o odpowiednio silnym natężeniu powoduje spadek produkcji melatoniny i przesunięcie faz okołodobowego rytmu tego hormonu [1, 19 24]. 3 Mimo że światło jest najważniejszym synchronizatorem okołodobowego rytmu aktywności zegara biologicznego, inne sygnały środowiskowe, np. temperatura, dźwięki, interakcje socjalne, mogą także odgrywać rolę dawców czasu. Sygnały te mogą się stać sygnałami o fundamentalnym znaczeniu dla prawidłowej synchronizacji pracy zegara biologicznego, np. u ludzi niewidomych albo w środowisku, gdzie nie ma dostępu do światła (np. w głębinach morskich czy jamach) [15]

3 Jolanta B. Zawilska, Jerzy Z. Nowak, Rytmika okołodobowa i zegar biologiczny SEN Rycina 1. Elementy mechanizmu okołodobowego zegara biologicznego. Strzałki oznaczają interakcje typu dodatniego. Szczegółowe informacje na temat wzajemnych interakcji białek genów zegarowych i ich znaczenia funkcjonalnego w kontroli rytmów okołodobowych znajdują się w cytowanych pracach przeglądowych [35 38] Zwierzęta prowadzące nocny tryb życia (np. myszy i szczury) są znacznie bardziej wrażliwe na bodźce świetlne niż zwierzęta prowadzące dzienny tryb życia (np. niektóre gatunki ptaków). Dane dotyczące człowieka nie są spójne, wydaje się jednak, że zaobserwowane rozbieżności wynikają w znacznym stopniu z warunków, w jakich przeprowadzono badania. Początkowo donoszono o małej wrażliwości ludzi na działanie światła (np. aby obniżyć stężenie melatoniny we krwi do niskich wartości dziennych, stosowano 2-godzinną ekspozycję w nocy na światło o natężeniu powyżej 1500 luksów) 4 [25]. W późniejszych pracach opisywano przesunięcia rytmów okołodobowych (np. rytmu temperatury ciała czy melatoniny) pod wpływem światła o natężeniu luksów [16, 26 30]. Zegar biologiczny budowa, lokalizacja, schemat działania U zwierząt i u człowieka za regulację rytmów okołodobowych odpowiadają określone struktury ośrodkowego układu nerwowego (OUN), odgrywające rolę dobowych zegarów biologicznych oscylatorów. Struktury te mają jedną podstawową, wspólną właściwość w stałych warunkach środowiskowych wytwarzają samoutrzymujący się rytm aktywności o długości jednego cyklu około 24 godzin. U ssaków rolę nadrzędnego zegara biologicznego odgrywają jądra nadskrzyżowaniowe (SCN, suprachiasmatic nuclei) położone obustronnie w przedniej części podwzgórza, tuż nad skrzyżowaniem nerwów wzrokowych, po obu stronach trzeciej komory mózgu. Pojedyncze jądro SCN zawiera, w zależności od gatunku, od gęsto upakowanych małych 4 Natężenie, jakie daje sztuczne światło w pokoju mieszkalnym lub biurowym, najczęściej zawiera się w granicach luksów. neuronów o bogatej strefie dendrytycznej. Jądra nadskrzyżowaniowe odpowiadają za regulację dobowych/okołodobowych rytmów fizjologicznych, biochemicznych i behawioralnych [31 33]. Spośród wielu danych doświadczalnych, przemawiających za kluczową rolą SCN jako nadrzędnego zegara biologicznego, najbardziej przekonujących dowodów dostarczają badania z przeszczepianiem tej struktury mózgu u gryzoni. Zniszczenie SCN na pomocą lezji chemicznej lub elektrycznej powoduje u zwierząt utratę rytmów okołodobowych. Przeszczepienie takim zwierzętom do trzeciej komory mózgu embrionalnego SCN prowadzi do ponownego pojawienia się u nich rytmiki okołodobowej, przy czym rejestrowane rytmy reprezentowały rytmikę dawcy, a nie biorcy [34]. Powyższe badania wskazują także na genetyczny aspekt pracy zegara biologicznego, u podłoża której leży ściśle zaprogramowana, cykliczna ekspresja tak zwanych genów zegarowych i wzajemne zsynchronizowane w czasie współdziałanie (negatywne lub pozytywne) białek produktów genów zegarowych [35 38] (ryc. 1). Także u człowieka uszkodzenie lub zniszczenie SCN powoduje zaburzenia rytmów okołodobowych. Znaczny odsetek chorych z zaburzeniami rytmów okołodobowych stanowią osoby w podeszłym wieku [4, 39, 40]. Należy podkreślić, że w tej grupie wiekowej, w szczególności u osób z chorobą Alzheimera, obserwuje się wyraźne zmniejszenie gęstości neuronów SCN [39, 41]. W badaniach in vitro (skrawki SCN, hodowle komórkowe) wykazano, że wyładowania elektryczne pojedynczych neuronów SCN oscylują w sposób rytmiczny, przy czym długość jednego cyklu rytmu aktywności bioelektrycznej neuronów wahała się w szerokich granicach godzin [41, 42]. Pomimo intensywnych badań nie udało się ustalić, czy wszystkie neurony SCN posiadają 129

4 SEN 2002, Tom 2, Nr 4 endogenne oscylatory (a zatem funkcjonują jako pojedyncze mini zegary biologiczne bądź też tryby jednego zegara jako całości), czy też w obrębie SCN występują wyspecjalizowane komórki (grupy komórek współpracujących ze sobą), które generują rytmy okołodobowe, a następnie przekazują je na sąsiednie neurony. Ponadto, nadal pozostaje nieznany czynnik/proces, który zmusza neurony SCN do synchronizacji i koordynacji swoich rytmów, powodując, że w żywym organizmie jądra SCN pracują jako jeden zegar biologiczny o określonej rytmice [43]. Obecnie akceptowany model koncepcyjny zegara biologicznego składa się z trzech podstawowych elementów: 1. Właściwego zegara odpowiedzialnego za wytwarzanie endogennych rytmów okołodobowych. 2. Szlaków aferentnych doprowadzających sygnały środowiskowe do zegara. 3. Szlaków eferentnych, za pomocą których rytmiczne sygnały powstałe w zegarze są przesyłane do odpowiednich struktur efektorowych organizmu. Stosując terminologię elektroniczną, można opisać poszczególne składowe kompleksu zegara biologicznego i wzajemne powiązanie między nimi w następujący sposób: wejście (input) Æ oscylator (pacemaker) Æ wyjście (output) Wejście. Światło jest najważniejszym środowiskowym sygnałem wejściowym kompleksu zegara biologicznego. Oprócz światła wiele innych bodźców środowiskowych, na przykład aktywność ruchowa, warunki socjalne, regularne przyjmowanie pokarmów czy stosowanie leków, wpływa na pracę zegara biologicznego. Informacja świetlna dostosowuje (synchronizuje) pracę zegara do dobowego cyklu oświetlenia środowiska, w którym organizm żyje i funkcjonuje [17]. U ssaków, a zatem i u człowieka, jedynym narządem przystosowanym do odbioru kwantów światła jest siatkówka. Wyniki badań przeprowadzonych w ciągu ostatnich kilku lat wskazują, że w toku ewolucji w siatkówce nastąpiła specjalizacja komórek w zakresie odbioru informacji świetlnej: komórki fotoreceptorowe (pręciki i czopki) są odpowiedzialne za pochłanianie promieni świetlnych i przekształcanie sygnału fizycznego w sygnał neurochemiczny dla celów widzenia, natomiast odbiór kwantów światła dla celów zegarowych najprawdopodobniej zachodzi w komórkach zwojowych i w subpopulacji komórek amakrynowych i przebiega z wykorzystaniem innych receptorów niż klasyczne receptory dla światła. Przypuszcza się, że rolę receptorów dla światła jako nośnika informacji chronobiologicznej odgrywają kryptochromy i melanopsyna [44, 45]. U ssaków informacja o warunkach oświetlenia środowiska zewnętrznego dociera z siatkówki do SCN specjalnym szlakiem siatkówkowo-podwzgórzowym, który tworzą aksony komórek zwojowych siatkówki 5 [31]. Kwas glutaminowy, pobudzający aminokwas, odgrywa rolę neuroprzekaźnika w tym szlaku [46]. Brak zależnej od światła impulsacji glutaminergicznej, docierającej do SCN, powoduje utratę synchronizacji rytmu aktywności SCN z naturalnym (dzień-noc) lub sztucznym (światłociemność) cyklem oświetlenia środowiska. Rytm aktywności SCN zaczyna wówczas dryfować, wykazując tendencję głównie w kierunku wydłużania czasu jednego cyklu (> 24 h). Przywrócenie sygnałów środowiskowych (bądź skoordynowanej impulsacji glutaminergicznej) powoduje zsynchronizowanie pracy oscylatora do nowych warunków, co z kolei jest rejestrowane jako przestrojenie regulowanej przez SCN rytmiki okołodobowej. Oprócz szlaku siatkówkowo-podwzgórzowego, który odgrywa kluczową rolę w przekazywaniu informacji świetlnych do nadrzędnego zegara biologicznego, w synchronizacji pracy SCN uczestniczą również inne szlaki neuronalne (przedstawione schematycznie na ryc. 2) [47]: szlak kolankowato-podwzgórzowy, łączący ciało kolankowate boczne (a właściwie grupę komórek tej struktury mózgowej tzw. listek międzykolankowaty) z jądrem nadskrzyżowaniowym; głównym neuroprzekaźnikiem tego szlaku jest neuropeptyd Y; szlak łączący twór siatkowaty (głównie jądro środkowe i grzbietowe szwu) z SCN i przekazujący przede wszystkim informacje sensoryczne; rolę neuroprzekaźnika w tym szlaku odgrywa serotonina; szlaki neuronalne łączące przegrodę, hipokamp, podwzgórze i przedwzgórze z SCN; szlaki te przekazują do zegara biologicznego informacje o środowisku wewnętrznym organizmu; szlaki neuronalne mające swój początek w limbicznej części przodomózgowia przekazują do SCN informacje o stanie pobudzenia mózgu. Oscylator. Jądrem zegara biologicznego jest endogenny oscylator, który wytwarza rytmiczny sygnał dobowy w sposób autonomiczny. Jeden cykl takiego sygnału trwa około 24 godzin. Sygnały wejściowe do zegara biologicznego dostosowują (synchronizują) endogenny rytm oscylatora do rytmu egzogennego, czyli rytmu środowiskowego. Wyjście. Wytworzony przez endogenny oscylator rytmiczny sygnał wyjściowy jest przekazywany z zegara biologicznego drogami eferentnymi, wyjściowymi, do struktur efektorowych. W strukturach tych dochodzi do przetworzenia sygnału oscylatora w rytmiczny sygnał efektorowy, charakterystyczny dla typu i funkcji struktury docelowej, w postaci różnych mierzalnych rytmów fizjologicznych, na przykład dobowych/okołodobowych oscylacji ekspresji genów, syntezy, sekrecji i zmian stężenia hormonów we krwi, rytmu aktywności ruchowej, pobierania pokarmu, temperatury ciała, sekrecji soku żołądkowego, częstości akcji serca. 5 Informacje nerwowe, które powstają w siatkówce oka, są następnie przesyłane do mózgu dzięki wypustkom aksonalnym komórek zwojowych. Większość z nich tworzy nerw wzrokowy, natomiast mała część szlak siatkówkowo-podwzgórzowy

5 Jolanta B. Zawilska, Jerzy Z. Nowak, Rytmika okołodobowa i zegar biologiczny SEN Rycina. 2. Podstawowe szlaki neuronalne docierające do nadrzędnego zegara biologicznego u ssaków, zlokalizowanego w jądrach nadskrzyżowaniowych podwzgórza (SCN). RHT szlak siatkówkowo-podwzgórzowy, GHT szlak kolankowato-podwzgórzowy Melatonina podstawowy biochemiczny sygnał ciemności, koordynujący rytmy biologiczne Rytmiczna synteza melatoniny w szyszynce stanowi klasyczny przykład sygnału efektorowego, kontrolowanego przez SCN. Melatonina (N-acetylo-5-metoksytryptamina) powstaje z aminokwasowego prekursora L-tryptofanu, głównie w szyszynce i w mniejszym stopniu w siatkówce oka. Hormon ten powstaje również w przewodzie pokarmowym, ale w przeciwieństwie do hormonu zsyntetyzowanego w szyszynce i siatkówce, synteza melatoniny jelitowej nie podlega kontroli ze strony zegara biologicznego, a jej rola w organizmie pozostaje nieznana [1, 19, 24, 48]. Melatonina pochodzenia szyszynkowego jest pulsacyjnie uwalniana do krwiobiegu i płynu mózgowo-rdzeniowego, a następnie dociera do wszystkich narządów organizmu, wywierając działania biologiczne. Poza działaniem melatoniny jako wymiatacza wolnych rodników, pozostałe efekty hormonu wynikają z pobudzenia specyficznych receptorów błonowych, a zatem zachodzą tylko w komórkach i tkankach, w których występują receptory melatoninowe [49, 50]. Unieczynnianie melatoniny szyszynkowej zachodzi głównie w wątrobie, a biologicznie nieaktywne metabolity związku (przede wszystkim 6-sulfatoksymelatonina) 6 są wydalane z organizmu wraz z moczem. Melatonina zsyntetyzowana w siatkówce nie przechodzi do płynów ustrojowych i podlega szybkiej, miejscowej degradacji do 5-metoksytryptofolu i kwasu 5-metoksyindolooctowego. W przeciwieństwie do melatoniny szyszynkowej, która jest produkowana dla potrzeb całego organizmu, melatonina siatkówkowa pełni rolę neuroprzekaźnika/neuromodulatora w tej tkance oraz uczestniczy w regulacji wielu procesów przebiegających w oku w sposób rytmiczny [1, 24, 48]. Biosynteza melatoniny przebiega w zależnym od warunków oświetlenia rytmie okołodobowym, wytwarzanym przez endogenny zegar biologiczny. Niezależnie od trybu życia, jaki prowadzi dany gatunek (nocny, dzienny czy mieszany), produkcja melatoniny jest zawsze najwyższa w nocy (lub w fazie ciemnej sztucznego dobowego cyklu oświetleniowego światło-ciemność) [1, 19, 24, 51, 52]. U kręgowców wyróżnia się trzy podstawowe profile nocnej produkcji melatoniny (ryc. 3). U zwierząt z rzadko spotykanym profilem A (np. chomik syryjski, mysz domowa) wzrost stężeń melatoniny obserwuje się w drugiej połowie nocy. Profil B, występujący u większości gatunków zwierząt (np. szczura, wiewiórki ziemnej, kury) oraz u człowieka, charakteryzuje się łagodnym w czasie wzrostem i spadkiem produkcji melatoniny. U człowieka stężenia melatoniny we krwi zwykle zaczynają wzrastać późnym wieczorem, osiągają najwyższe wartości między godziną 2 a 3 w nocy, a następnie łagodnie obniżają się, uzyskując przed świtem niskie wartości, porównywalne do tych, jakie rejestruje się w ciągu całego dnia (niekiedy są to wartości na granicy czułości technik analitycznych). U zwierząt z profilem C (np. owca, kot domowy) obserwuje się gwałtowne i duże wzrosty syntezy i stężeń melatoniny w krótkim czasie po nastaniu nocy (fazy ciemnej). Wysoka produkcja hormonu utrzymuje się do końca nocy, a następnie gwałtownie spada tuż przed świtem. Dotychczas nie wyjaśniono, czy te trzy odmienne profile nocnej produkcji melatoniny są uzależnione wyłącznie od funkcji samej szyszynki, czy też są wynikiem działania innych, pozaszyszynkowych i dotychczas niezidentyfikowanych czynników. Niezależnie od profilu nocnej produkcji melatoniny, jaki reprezentuje dany gatunek, sztuczne (wg narzuco- 6 U człowieka około 90% endogennej (szyszynkowej) lub egzogennej melatoniny zostaje przekształcone do 6-sulfatoksymelatoniny. Natężenie i rytmiczność produkcji melatoniny oraz farmakokinetykę związku podanego w postaci tabletki lub kapsułki można oceniać, mierząc stężenie hormonu we krwi lub alternatywnie stężenie w moczu (rzadziej w ślinie) 6-sulfatoksymelatoniny

6 SEN 2002, Tom 2, Nr 4 Rycina 3. Podstawowe profile wytwarzania melatoniny u kręgowców nego cyklu oświetleniowego światło-ciemność) bądź naturalne wydłużanie lub skracanie okresu nocnego odpowiednio w miesiącach jesienno-zimowych lub wiosenno-letnich powoduje zmiany długości okresu podwyższonych stężeń melatoniny (również działania hormonu) w organizmie [1, 10, 14, 19, 51, 52]. Sygnał melatoninowy jest zawsze dodatnio skorelowany z długością nocy. Melatonina (nazywana przez niektórych badaczy hormonem ciemności) pełni w organizmie rolę swoistego dawcy czasu, przekazując informacje o porze dnia (rola biochemicznego zegara) oraz o spodziewanej porze roku (rola biochemicznego kalendarza) [1, 51, 52]. Te właściwości hormonu zadecydowały o jego podstawowej, zachowanej ewolucyjnie roli fizjologicznej, czyli roli koordynatora rytmów biologicznych. Sygnał melatoninowy jest istotnym czynnikiem, który wpływa na kształtowanie odpowiedniego dla pory dnia i pory roku stanu czynnościowego organizmu. Światło jest najważniejszym czynnikiem, który kontroluje produkcję melatoniny. Analiza spektralna udowodniła, że najsilniejsze działanie supresyjne na układ wytwarzający melatoninę wywiera światło zielone (o długości fali l max = nm), natomiast najsłabsze światło czerwone (l max > 600 nm). Biosyntezę melatoniny hamuje także promieniowanie z zakresu bliskiego nadfioletu (UV-A) [20 22, 28, 30, 53]. U ssaków informacja o warunkach oświetlenia dociera do szyszynki złożonym szlakiem wieloneuronalnym (ryc. 4) [1, 19, 24]. Odbierane przez siatkówkę bodźce świetlne są przekazywane szlakiem siatkówkowo-pod

7 Jolanta B. Zawilska, Jerzy Z. Nowak, Rytmika okołodobowa i zegar biologiczny SEN Rycina 4. Wieloneuronalny szlak przekazywania informacji o oświetleniu środowiska z siatkówki do szyszynki u człowieka i innych gatunków ssaków wzgórzowym do SCN. Następnie odpowiednio przetworzony sygnał jest przesyłany do jądra przykomorowego i biegnąc wzdłuż przyśrodkowej wiązki przodomózgowia dociera do pokrywy międzymózgowia. Po opuszczeniu mózgu sygnał dociera do jądra pośrednio-bocznego rdzenia kręgowego, osiągając zwój górny szyjny, którego włókna zazwojowe unerwiają szyszynkę i znajdujące się w jej wnętrzu pinealocyty komórki produkujące melatoninę. U ssaków spontaniczna aktywność bioelektryczna i metaboliczna neuronów SCN jest najwyższa w ciągu dnia (lub w fazie jasnej dobowego cyklu oświetleniowego). W tej samej fazie impulsacja szlaku współczulnego, który łączy zwoje górne szyjne z szyszynką, jest znikoma. W nocy, gdy zmniejsza się aktywność neuronów SCN, dochodzi do wzrostu aktywności elektrofizjologicznej zazwojowych włókien współczulnych, a z ich zakończeń jest uwalniana noradrenalina, która pobudzając postsynaptyczne receptory b 1 - i a 1 -adrenergiczne uruchamia kaskadę procesów biochemicznych, powodujących w efekcie końcowym wzrost produkcji melatoniny [1, 19, 24]. Wydzielona do krwi i płynu mózgowo-rdzeniowego melatonina dociera do różnych tkanek, w tym do SCN, gdzie pobudzając receptory melatoninowe, hamuje aktywność bioelektryczną, i metaboliczną neuronów tej struktury [54]. Uważa się, że pojawiający się w określonym czasie doby sygnał melatoninowy koordynuje na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego rytmy aktywności okołodobowej neuronów SCN, przyczyniając się do powstania jednolitego rytmu zegara biologicznego. Liczba receptorów melatoninowych w SCN oscyluje w rytmie dobowym/okołodobowym, którego fazy są odwrócone o 180 o w stosunku do faz rytmu melatoninowego. Zatem wzrostowi stężenia krążącej we krwi i płynie mózgowo-rdzeniowym melatoniny towarzyszy spadek liczby receptorów melatoninowych, natomiast gdy produkcja i stężenia melatoniny spadają powoli, zwiększa się gęstość receptorów melatoninowych [1, 50, 55]. Powyższe zjawisko najprawdopodobniej leży u podstaw zachowania homeostazy informacyjnej melatonina Æ zegar biologiczny w SCN. W warunkach naturalnych przejście dnia w noc i odwrotnie odbywa się stopniowo i płynnie. Zarówno o zmierzchu, jak i o świcie stopniowo są uruchamiane odpowiednie dla danej pory doby procesy fizjologiczne i właśnie w tych przedziałach czasowych rola melatoniny (wzrastającej lub zanikającej) jako sygnału zwrotnego dla SCN jest najbardziej istotna. Melatonina, podobnie jak światło, posiada zdolność do przesuwania faz okołodobowych rytmów biologicznych. Kierunki działania obu tych czynników chronobiologicznych są przeciwstawne względem siebie. Melatonina zastosowana wieczorem przyspiesza fazy rytmów, podczas gdy światło je opóźnia, natomiast podana nad ranem opóźnia fazy rytmów, a światło przyspiesza [1, 16, 28, 56 58]. Zrozumienie mechanizmów działania melatoniny i światła na zegar biologiczny, a także poznanie okien czasowych, w których każdy z tych czynników może synchronizować pracę zegara, jest podstawą opracowania no

8 SEN 2002, Tom 2, Nr 4 wych strategii terapeutycznych leczenia chronobiologicznych zaburzeń snu z wykorzystaniem melatoniny (zaburzenia snu wynikające z długości cyklu okołodobowego innego niż 24 godziny, w tym zaburzenia snu u osób niewidomych, zespół opóźnionej fazy snu, zaburzenia snu w procesie starzenia) lub światła (zespół przyspieszonej fazy snu), bądź łącznie melatoniny i światła (zaburzenia snu towarzyszące pracy zmianowej, choroba transatlantycka jet lag) [58 66]. Podsumowanie Pomimo ogromnego zróżnicowania organizacji systemu okołodobowego na poziomie fizjologicznym i anatomicznym, tylko kilka struktur OUN pełni funkcję okołodobowego oscylatora. Są to: jądra nadskrzyżowaniowe podwzgórza u ssaków, szyszynka i siatkówka u ptaków i u płazów. U ssaków te trzy struktury ściśle współpracują ze sobą, tworząc system siatkówka Æ SCN szyszynka, odpowiedzialny za regulację różnych okołodobowych rytmów fizjologicznych, hormonalnych i behawioralnych (w tym rytmu sen-czuwanie). Uszkodzenie któregokolwiek z elementów składowych powyższego systemu bądź łączących je szlaków neuronalnych prowadzi do zaburzeń rytmów okołodobowych. Wyniki badań przeprowadzonych u organizmów reprezentujących różne etapy rozwoju filogenetycznego (od sinic, grzybów, przez muszkę owocową, aż do ssaków) wskazują na uniwersalność zasad funkcjonowania zegara biologicznego. Okołodobowe wytwarzanie rytmu zegara biologicznego wymaga cyklicznej syntezy określonych białek i ich wzajemnej interakcji, a zatem u jego podłoża leży rytmiczna ekspresja tak zwanych genów zegarowych. Endogenny okołodobowy rytm zegara biologicznego podlega synchronizacji z egzogennym dobowym rytmem (bądź rytmami) środowiska. Najważniejszym synchronizatorem dawcą czasu jest bodziec świetlny, który w warunkach naturalnych jest zdeterminowany następstwem dnia i nocy. Informacja o warunkach oświetlenia środowiska jest przekazywana do zegara biologicznego w sposób charakterystyczny dla gatunku: na przykład u ssaków szlakiem siatkówkowo-podwzgórzowym, a u ptaków w wyniku bezpośredniej percepcji przez światłoczułe elementy zegarowe. Melatonina, hormon szyszynkowy, produkowana tylko w nocy (lub w fazie ciemnej sztucznego dobowego cyklu oświetleniowego światło-ciemność) odgrywa istotną rolę koordynacyjną w systemie okołodobowym. W dwojaki sposób wpływa na pracę SCN: hamuje aktywność bioelektryczną i metaboliczną neuronów SCN oraz przesuwa fazy okołodobowego rytmu aktywności neuronów. Zrozumienie mechanizmów regulujących pracę zegara biologicznego otwiera nowe perspektywy leczenia chorób o podłożu chronobiologicznym oraz pozwala na racjonalizację farmakoterapii tak, aby godziny podawania leków pozostawały w zgodzie z endogennym rytmem danego procesu w organizmie [41, 64, 67 78]. Praca powstała w ramach działalności statutowej Zakładu Amin Biogennych PAN w Łodzi oraz realizacji grantu KBN nr 3 P04C Streszczenie Rytmika okołodobowa i zegar biologiczny Wiele procesów życiowych w organizmach prokariotycznych i eukariotycznych przebiega w sposób rytmiczny. Spośród różnych rytmów biologicznych najlepiej opisane i poznane są rytmy okołodobowe, wytwarzane przez endogenne zegary biologiczne. U podłoża pracy zegara biologicznego leży ściśle zaprogramowana, cykliczna ekspresja tak zwanych genów zegarowych i wzajemne, zsynchronizowane w czasie współdziałanie (negatywne lub pozytywne) białek produktów tych genów. Zaburzenia w działaniu kompleksu zegara biologicznego obserwuje się w różnych stanach patologicznych, między innymi w chronobiologicznych zaburzeniach snu, chorobach neurodegeneracyjnych, chorobach afektywnych oraz w przebiegu pracy zmianowej. W artykule przedstawiono podstawową charakterystykę rytmów okołodobowych, współczesną koncepcję budowy i funkcjonowania kompleksu zegara biologicznego oraz rolę światła i melatoniny, hormonu szyszynkowego, w regulacji pracy zegara biologicznego, ze szczególnym uwzględnieniem potencjału terapeutycznego tych dwóch czynników. Słowa kluczowe: rytmy biologiczne, światło, jądra nadskrzyżowaniowe podwzgórza, melatonina, szyszynka, chronobiologiczne zaburzenia snu 134

9 Jolanta B. Zawilska, Jerzy Z. Nowak, Rytmika okołodobowa i zegar biologiczny SEN Piśmiennictwo 1. Arendt J. Melatonin and the Mammalian Pineal Gland. Chapman and Hall, London Turek F.W. Circadian rhythms. Rec. Prog. Hormone Res. 1994; 49: Forsling M.L. Diurnal rhythms in neurohypophysial function. Exp. Physiol. 2000; 85: 79S 186S. 4. Copinschi G., Spiegel K., Leproult R., Van Cauter E. Pathophysiology of human circadian rhythms. Novatris Found. Symp. 2000; 227: Aschoff J. Circadian rhythms in man. Science 1965; 148: Pittendrigh C.S. Circadian systems: general perspective. W: Aschoff J. (red.) Handbook of Behavioral Neurobiology, Plenum Press, New York 1965; tom 4: Menaker M., Takahashi J.S., Eskin A. The physiology of circadian pacemakers. Ann. Rev. Physiol. 1978; 40: Rusak B. The mammalian circadian system: models and physiology. J. Biol. Rhythms 1989; 4: Weitzman E.D., de Graaf A.S., Sassin J.F. i wsp. Seasonal patterns of sleep stages and secretion of cortisol and growth hormone during 24 hour periods in northern Norway. Acta Endocrinol. 1975; 78: Kennaway D.J., Van Drop C.F. Free-running rhythm of melatonin, cortisol, electrolytes, and sleep in humans in Antarctica. Am. J. Physiol. 1991; 260: R1137 R Honma K., Honma S., Kohsaka M., Fukuda N. Seasonal variation in the human circadian rhythm: dissociation sleep and temperature rhythm. Am. J. Physiol. 1992; 262: R885 R Sack R.L., Lewy A.J., Blood M.L., Keith L.D., Nakagawa H. Circadian rhythm abnormalities in totally blind people: incidence and clinical significance. J. Clin. Endocrinol. Metab. 1992; 75: Lockley S.W., Skene D.J., Tabandeh H., Bird A.C., Defrance R., Arendt J. Relationship between napping and melatonin in the blind. J. Biol. Rhythms 1997; 12: Yoneyama S., Hashimoto S., Honma K. Seasonal changes of human circadian rhythms in Antarctica. Am. J. Physiol. 1999; 277: R1091 R Mrosovsky N. Locomotor activity and non-photic influences on circadian clocks. Biol. Rev. 1996; 71: Skene D.J., Lockey S.W., Thapan K., Arendt J. Effects of light on human circadian rhythms. Reprod. Nutr. Dev. 1999; 39: Wetterberg L. Light and Biological Rhythms in Man. Pergamon Press, Shanahan T.L., Czeisler C.A. Physiological effects of light on the human circadian pacemaker. Semin. Perinatol. 2000; 24: Reiter R.J. Pineal melatonin: cell biology of its synthesis and of its physiological interactions. Endocr. Rev. 1991; 12: Honma S., Kanamatsu N., Katsuno Y., Honma K.I. Light suppression of nocturnal pineal and plasma melatonin in rats depends on wavelength and time of day. Neurosci. Lett. 1992; 147: Zawilska J.B., Rosiak J., Nowak J.Z. Near-ultraviolet radiation suppresses melatonin synthesis in the chicken retina. A role of dopamine. Life Sci. 2000; 67: Zawilska J.B., Rosiak J., Nowak J.Z. Effects of near-ultraviolet light on the nocturnal serotonin N-acetyltransferase activity of rat pineal gland. Neurosci. Lett. 1998; 243: Zawilska J.B., Vivien-Roels B., Skene D.J., Pevet P., Nowak J.Z. Phase-shifting effects of light on the circadian rhythms of 5-methoxytryptophol and melatonin in the chick pineal gland. J. Pineal. Res. 2000; 29: Zawilska J.B., Nowak J.Z. Melatonin: from biochemistry to therapeutic applications. Pol. J. Pharmacol. 1999; 51: Lewy A.J., Wehr T.A., Goodwin F.K., Newsome D.A., Markey S.P. Light suppresses melatonin secretion in humans. Science 1980; 210: McIntyre I.M., Norman T.R., Burrows G.D., Armstrong S.M. Human melatonin suppression by light is intensity dependent. J. Pineal. Res. 1989; 6: Boivin D.B., Duffy J.F., Kronauer R.E., Czeisler C.A. Dose-response relationships for resetting of human circadian clock by light. Nature 1996; 379: Morita T., Tokura H., Wakamura T., Park S.-J., Teramoto Y. Effects of morning irradiation of light with different wavelengths on the behavior of core temperature and melatonin in humans. App. Hum. Sci. 1997; 16: Aoki H., Yamada N., Ozeki Y., Yamane H., Kato N. Minimum light intensity required to suppress nocturnal melatonin concentration in human saliva. Neurosci. Lett. 1998; 252: Thapan K., Arendt J., Skene D.J. An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. J. Physiol. 2001; 535: Klein D.C, More R.Y., Reppert S.M. (red.) Suprachasmatic Nucleus. The Mind s Clock. Oxford University Press, Oxford Meijer J.H., Rietveld W.J. Neurophysiology of the suprachiasmatic circadian pacemaker in rodents. Physiol. Rev. 1989; 69: Moore R.Y. The organization of the human circadian timing system. Prog. Brain Res. 1992; 93: Ralph M.R., Hurd M.W., Golombek D., Lehman M.N. Pacemaker communication in circadian chimeras produced by SCN transplantation. W: Moller M., Pévet P. (red.) Advances in Pineal Research 8. John Libbey & Company, 1994; Żądziński R., Nowak J.Z. Molekularne podstawy działania i synchronizacji okołodobowego oscylatora biologicznego. Postępy Biol. Kom. 1999; 26: Pyza E., Nowak J.Z. Molekularne mechanizmy zegara biologicznego. Postępy Hig. Med. Dośw. 1999; 53: Ripperger J.A., Schibler U. Circadian regulation of gene expression in animals. Curr. Opin. Cell. Biol. 2001; 13: Harmer S.L., Panda S., Kay S.A. Molecular bases of circadian rhythms. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol. 2001; 17: Hofman M.A. The human circadian clock and aging. Chronobiol. Int. 2000; 17: Touitou Y., Haus E. Alterations with aging of the endocrine and neuroendocrine circadian system in humans. Chronobiol. Int. 2000; 17: Turek F.W., Dugovic C., Zee P.C. Current understanding of the circadian clock and the clinical implications for neurological disorders. Arch. Neurol. 2001; 58: Gillete M.U., Mitchell J.W. Signaling in the suprachiasmatic nucleus: selectively responsive and integrative. Cell. Tissue Res. 2002; 309: Shirakawa T., Honma S., Honma K. Multiple oscillators in the suprachiasmatic nucleus. Chronobiol. Int. 2001; 18: Hall J.C. Cryptochromes: sensory reception, transduction, and clock functions subserving circadian systems. Curr. Opin. Neurobiol. 2000; 10: Von Schantz M., Provencio I., Foster R.G. Recent developments in circadian photoreception: more than meets the eye. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2000; 41: Hannibal J. Neurotransmitters of the retino-hypothalamic tract. Cell. Tissue Res. 2002; 309: Lewandowski M. Zegar biologiczny u ssaków: budowa i funkcja. Postępy Hig. Med. Dośw. 1999; 53: Zawilska J.B., Nowak J.Z. Regulatory mechanisms in melatonin biosynthesis in retina. Neurochem. Int. 1992; 20: Zawilska J.B., Nowak J.Z. Receptory melatoninowe. W: Nowak J.Z., Zawilska J.B. (red.) Receptory: Struktura, Charakterystyka, Funkcja. PWN, Warszawa 1997; Morgan P.J., Barrett P., Howell E., Helliwell R. Melatonin receptors: Localization, molecular pharmacology and physiological significance. Neurochem. Int. 1994; 24: Reiter R.J. Melatonin: the chemical expression of darkness. Mol. Cell. Endocrinol. 1991; 79: C153 C Nowak J.Z., Zawilska J.B. Melatonina jako koordynator rytmów biologicznych: regulacja biosyntezy, działania fizjologiczne i znaczenie terapeutyczne. Lęk i Depresja 1996; 1:

10 SEN 2002, Tom 2, Nr Brainard G.C., Gaddy J.R., Barker F.M., Hanifin J.P., Rollag M.D. Mechanisms in the eye that mediated the biological and therapeutic effects of light in humans. W: Wetterberg L. (red.) Light and Biological Rhythms in Man. Pergamon Press, Oxford 1993; McArtur A.J., Gillette M.U., Prosser R.A. Melatonin directly resets the rat suprachiasmatic circadian clock in vitro. Brain Res. 1991; 565: Laitinen J.T., Castren E., Vakkuri O., Saavedra J.M. Diurnal rhythm of melatonin binding in the rat suprachiasmatic nucleus. Endocrinology 1989; 124: Lewy A.J., Ahmed S., Jackson J.M. Melatonin shifts humans circadian rhythms according to a phase-response curve. Chronobiol. Int. 1992; 9: Sharkey K.M., Eastman C.I. Melatonin phase shifts human circadian rhythms in a placebo-controlled stimulated night-work study. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2002; 282: R Lockley S.W., Skene D.J., James K., Thapan K., Wright J., Arendt J. Melatonin administration can entrain the free-running circadian system of blind subjects. J. Endocrinol. 2000; 164: R Rosenthal N.E., Joseph-Vanderpool J.R., Levendosky A.A., Johnston S.H., Allen R., Kelly K.A., Souerte E., Schultz P.M., Strarz K.E. Phase shifting effects of bright morning light as treatment for delayed sleep phase syndrome. Sleep 1990; 13: Jan J.E., Espezel H., Appleton R.E. The treatment of sleep disorders with melatonin. Dev. Med. Child Neurol. 1994; 36: Sack R.L., Lewy A.J., Blood M.L., Stevenson J., Keith L.D. Melatonin administration to blind people: phase advances and entrainment. J. Biol. Rhythms 1991; 6: Sack R.L., Hughes R.J., Edgar D.M., Lewy A.J. Sleep-promoting effects of melatonin: at what dose, in whom, under what conditions, and by what mechanisms? Sleep 1997; 20: Skalski M. Melatonina w zaburzeniach snu i zaburzeniach rytmu okołodobowego. Farmak. Psych. Neurol. 1998; 1: Avey D., Lenz M., Landis C. Guidelines for prescribing melatonin. Ann. Med. 1998; 30: Pillar G., Etzioni A., Shahar E., Lavie P. Melatonin treatment in an institutionalised child with psychomotor retardation and n irregular sleep-wake pattern. Arch. Dis. Child 1998; 79: Skene D.J., Lockley S.W., Arendt J. Use of melatonin in the treatment of phase shift and sleep disorders. Adv. Exp. Med. Biol. 1999; 467: Markiewicz A. Chronobiologica w praktyce lekarskiej. Postępy Hig. Med. Dośw. 1999; 53: Lemmer B. Relevance for chronopharmacology in practical medicine. Semin. Perinatol. 2000; 24: Munger M.A., Kenney J.K. A chronobiologic approach to the pharmacotherapy of hypertension and angina. Ann. Pharmacother. 2000; 34: Krauchi K., Wirz-Justice A. Circadian clues to sleep onset mechanisms. Neuropsychopharmacology 2001; 25: S Kuhn G. Circadian rhythm, shift work, and emergency medicine. Ann. Emerg. Med. 2001; 37: Smolensky M.H., Haus E. Circadian rhythms and clinical medicine with applications to hypertension. Am. J. Hypertens. 2001; 14: 280S 290S. 73. Van Someren E.J. More than a marker: interaction between the circadian regulation of temperature and sleep, age-related changes, and treatment possibilities. Chronobiol. Int. 2000; 17: Scheving L.A. Biological clocks and the digestive system. Gastroenterology 2000; 119: Aronson D. Impaired modulation of circadian rhythms in patients with diabetes mellitus: a risk factor for cardiac thrombotic events? Chronobiol. Int. 2001; 18: Dijk D.J., Lockley S.W. Integration of human sleep-wake regulation and circadian rhythmicity. J. Appl. Physiol. 2002; 92: Garbarino S., Beelke M., Costa G. i wsp. Brain function and effects of shift work: implications for clinical neuropharmacology. Neuropsychobiology 2002; 45: Ahasan R., Lewko J., Campbell D., Salmoni A. Adaptation to night shifts and synchronisation processes of night workers. J. Physiol. Anthropol. Appl. Human Sci. 2001; 20: