Content area

|
|

Hjernens biologiske ur

Forfatter(e)
Jan Fahrenkrug Klinisk Biokemisk Afdeling, Bispebjerg og Frederiksberg Hospital

Ugeskr Læger 2018;180:V03180212

Livet på jorden er adapteret til vores planets rotation om sin egen akse, og således udviser mange organismer 24-timersdøgnrytmer i adfærd, fysiologi og biokemi. Disse rytmiske ændringer styres af et indre timingsystem, som muliggør anticipering og tilpasning til de tilbagevendende faser og ændringer i omgivelserne. Eksempler på døgnrytmisk kontrollerede processer er søvn-vågen-cyklus, lokomotorisk aktivitet, metabolisme og energihomøostase, hjerterytme, blodtryk, legemstemperatur, nyreaktivitet samt hormonsekretion. Det indre timingsystem udviser imidlertid en rytme, hvis periodelængde ikke er eksakt 24 timer, og det bliver derfor også betegnet som det cirkadiane system fra latin circa (omtrent) og dies (dag). Således vil en organisme i konstant mørke (den fritløbende rytme) udvise en cyklusvarighed i adfærd og fysiologi, som afviger fra præcis 24 timer. F.eks. er den gennemsnitlige fritløbende periodelængde hos mennesket og mus henholdsvis 24,3 timer og 23,7 timer. Eksistensen af et muligt indre ur blev allerede i 1729 bemærket af den franske astronom Jean-Jacques d‘Ortous de Mairan. Han observerede, at mimoserne i baghaven åbnede og lukkede deres blade på samme tidspunkt af døgnet, og at de daglige cykler i bladenes bevægelser persisterede i konstant mørke. Siden da er selvkørende cirkadiane oscillatorer fundet i næsten alle lysfølsomme organismer fra cyanobakterier til pattedyr. Den molekylære forskning i disse biologiske ure eller tidsmålere blev initieret i 1980’erne på bananfluen, Drosophila melanogaster, af Jeffrey C. Hall & Michael Rosbash på Brandeis University og Michael W. Young på Rockefeller University (Figur 1). I banebrydende arbejder, som blev belønnet med Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 2017, identificerede de de første urgener og klarlagde de selvregulerende urmekanismer [1-3]. I dag ved vi, at alle multicellulære organismer, inklusive mennesket, bruger en lignende molekylær urmekanisme til kontrol af døgnrytmer. Figur 2 viser en skematisk opbygning af det døgnrytmegenererende system [4]. Den vigtigste komponent i systemet er hjernens ur, der er beliggende i den suprakiasmatiske kerne (SCN) i hypothalamus, og allerede i 1972 blev det påvist, at cirkadiane rytmer ophører efter læsion af SCN [5]. Selvom det cirkadiane system og dets rytmer er intrinsiske, er de modtagelige for påvirkninger fra omgivelserne, såkaldte zeitgebers, og den vigtigste stimulus er lys. Hjernens ur bliver således dagligt stillet af lys/mørke i omgivelserne via en direkte nerveforbindelse fra retina. De seneste års forskning har vist, at molekylære ure også findes i nerveceller i andre hjerneregioner og i perifere organers celler. Hvorledes alle disse cellulære ure koordineres, er ved at blive klarlagt, og det tyder på, at det døgnrytmegenererende system har en hierarkisk struktur, hvor uret i SCN synkroniserer de perifere ure via neurale og humorale signaler. De perifere organers ure kan imidlertid kommunikere indbyrdes og tilbage til hjernens ur. F.eks. styrer hjernens ur via en forbindelse i det autonome nervesystem sekretionen af nathormonet melatonin fra corpus pineale, og melatonin signalerer tilbage til SCN og de perifere organer og deres ure [6].

 

HJERNENS UR

SCN, som udgør hjernens ur, består af ansamlinger af neuroner i et par ovale kerner, der er lokaliseret i den anteriore hypothalamus lige over chiasma opticum. Hos rotten og mennesket indeholder hver af de to kerner henholdsvis 10.000 og 50.000-100.000 neuroner. Hver enkelt nervecelle er udstyret med et molekylært maskineri, som ligger til grund for urfunktionen. For at sikre synkroni mellem cellerne og dermed frembringelse af sammenhængende output-signaler, kommunikerer nervecellerne i SCN med hinanden via synaptiske og parakrine mekanismer eller gap junctions. Cytokemisk og funktionelt er hver SCN-kerne opdelt i to områder [7]: core-regionen i den ventrolaterale del, som modtager lysinformation fra retina, og shell-regionen i den dorsomediale del, som primært består af arginin-vasopressin-holdige neuroner og spiller en vigtig rolle i rytme-output. Neuronerne i den ventrolaterale del af SCN udtrykker og frisætter neuropeptidet vasoaktivt intestinalt polypeptid (VIP). De VIP-holdige neuroner udgør et udbredt neuronalt netværk i SCN [8]. I eksperimenter med genmanipulerede mus, som mangler VIP eller VIP-receptoren VPAC2, er det påvist, at VIP-signalering mellem nervecellerne er vigtige for opretholdelsen af en stabil, koordineret døgnrytme [9, 10].

 

DET MOLEKYLÆRE URVÆRK

Den døgnrytmegenererende oscillator i hver enkelt celle regulerer den tidsmæssige ekspression af tusindvis af urkontrollerede gener. Det er anslået, at halvdelen af musens gener oscillerer cirkadiant i et eller flere organer, og at denne cyklicitet i mRNA og proteiner varierer i de forskellige organer [11]. Mange af de urkontrollerede gener er centrale i cellulære processer og signaleringsveje, som regulerer metabolisme, immunfunktioner samt hormonelle og neurale funktioner.

Figur 3 viser det molekylære maskineri, som danner grundlaget for urfunktionen i den enkelte celle. Maskineriet udgøres af en gruppe af urgener, hvis genprodukter (proteiner) i dobbelte autoregulatoriske positive/negative feedbackloop interagerer og regulerer hinandens dannelse [13]. To transkriptionsfaktorer, CLOCK og BMAL1, er centrale i disse feedbackloop. CLOCK og BMAL1 danner heterodimere og aktiverer generne, som koder for periodproteinerne PER1 og PER2 og cryptokromproteinerne CRY1 og CRY2. PER- og CRY-proteinerne danner korepressorkomplekser med yderligere polypeptider, og når disse multiunitkomplekser har nået en kritisk koncentration/aktivitet, binder de sig til CLOCK-BMAL1-heterodimeren og svækker evnen til at stimulere transkription (mRNA-syntesen). Som følge heraf bliver CRY- og PER-mRNA og proteiner ikke længere syntetiseret, og da deres halveringstid er relativt kort, nedsættes den cellulære koncentration, så PER/CRY-komplekset ikke længere kan interferere med CLOCK/BMAL1-heterodimerens aktivitet. Herefter vil en ny PER/CRY-akkumulationcyklus starte. I en anden feedbackloop regulerer CLOCK og BMAL1 deres egen cirkadiane tran-skription ved at aktivere transkriptionen af gener, som koder for de to nukleare receptorer Rev-Erbα og Rev-Erbβ. Disse to repressorer oscillerer og okkuperer periodisk RORE-DNA-elementer i Bmal1 og Clock-promotere, på hvilke de konkurrerer med RORα og RORβ, som er aktivatorer af Bmal1- og Clock-transkriptionen. Ud over disse transkriptionelle mekanismer indgår en række af velkoordinerede posttranslationelle modifikationer af urproteinerne, som f.eks. fosforylering og acetylering, der er med til at sikre, at uret går med den rigtige hastighed. Således er taumutationen, som blev identificeret hos en mutant hamster med en kort cirkadianperiode en missense-mutation i fosforylerings-site for caseinkinase I-epsilon [14], en kinase som fosforylerer PER og CRY. Efterfølgende blev der hos patienter med advanced sleep phase syndrome, de såkaldte morgenlærker med kort cirkadianperiode og fire timers fremskudt søvn, temperatur og melatoninrytme, fundet en missense-mutation (serin → glycin) i caseinkinase I-epsilonbindingsregionen af PER2 [15].

 

LYSETS JUSTERING AF HJERNENS UR

Som nævnt genererer det døgnrytmegenererende system cykler af ca. 24 timers varighed, og hjernens ur skal derfor dagligt justeres for at være i overensstemmelse med den geofysiske tid. Den vigtigste stimulus for denne justering er omgivelsernes lys/mørke, en proces, der betegnes photoentrainment [16]. Uret har en periodebegrænset følsomhed for lys. Om dagen er hjernens ur uimodtagelig for fotiske stimuli, mens lys først på natten rykker den cirkadiane fase tilbage, og lyspåvirkning sent på natten eller tidligt om morgenen rykker den cirkadiane fase fremad. Nerveforbindelsen, den retinohypotalamiske bane, som indgår i lysjusteringen, udgår fra en bestemt gruppe af retinale ganglieceller, der er intrinsisk fotosensitive [17]. Ud over at detektere lys direkte integrerer disse celler også lyssignaler fra stave og tappe [18]. Fem subtyper af intrisisk fotosensitive ganglieceller er blevet identificeret (M1-M5), og det er primært M1-cellerne, der formidler fotiske signaler til hjernens ur [19, 20]. Disse ganglieceller og deres dendritter er på overflademembranen udstyret med en lysfølsom receptor, melanopsin, som er en G-protein-koblet syvtransmembranreceptor, der indgår i opsinfamilien af fotopigmenter. Melanopsin aktiveres af lys med en bølgelængde på 480 nanometer (blåt lys). Under lysaktivering fosforyleres melanopsin i den C-terminale intracellulære del, og fosforyleringsstatus har indflydelse på melanopsinfunktionen [21]. Gangliecellerne og dendritterne, som er meget lange (ca. 400 µm), er vidt forgrenede og danner et lysfølsomt netværk, der dækker hele retinas overflade (Figur 4), selvom antallet af melanopsinholdige celler kun udgør få procent af det samlede antal af ganglieceller i nethinden. Nethinden har således ud over synssansen også en ikkebilleddannende funktion, der signalerer lysinformation til det døgnrytmegenererende system, hvilket forklarer, at visse blinde personer uden stave og tappe i øjnene kan faseskifte deres døgnrytme ved lysstimuli.

Fotiske signaler til cellerne i SCN formidles af to neurotransmittere i den retinohypotalamiske bane, neuropeptidet pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide og glutamat i et komplekst samspil [22]. Lys-signaleringen genererer en induktion af urgenerne PER1 og PER2 i cellerne i hjernens ur [23, 24], og i dyreeksperimentelle studier er det påvist, at PER1-antisense injection i SCN-cellerne blokerer lysinduceret faseskift, hvilket tyder på en kritisk rolle for PER1 i photoentrainment-mekanismen. Når lys gives først på natten, hvor PER-ekspressionen er faldende, vil den lysinducerede PER-ekspression forlænge denne del af cyklus, hvilket resulterer i en faseforsinkelse af det molekylære ur. Omvendt når lyset gives sent på natten eller tidligt om morgenen, hvor PER-ekspressionen er stigende, forårsager den lysinducerede PER-ekspression en tidlig start på cyklus’ stigende fase, hvilket resulterer i en fremrykning af det molekylære ur. Den daglige faseadaptionskapacitet i hjernens ur har begrænsninger, og efter oversøiske flyvninger over flere tidszoner behøver menneskets døgnrytmegenerende system således adskillige dage for at adaptere sin fase til den nye tidszone. Resynkronisering tager således ca. halvanden time pr. døgn ved rejse vestpå og ca. en time pr. døgn ved rejse østpå. Under denne adaptationsperiode, hvor vores indre timingsystem er i konflikt med den geofysiske tid, lider vi af jetlag, som manifesterer sig som søvnforstyrrelser, træthed i dagarbejdstiden, mave-tarm-gener, nedsat appetit, hovedpine, nedsat fysisk præstationsniveau, dårligt humør og nedsat hukommelse. Bliver dette misforhold mellem vores indre døgnrytmegenererende system og de ydre omgivelser mere vedvarende, f.eks. betinget af skifteholdsarbejde eller livsstil, indebærer det en sundhedsrisiko og en risiko for at få hjerte-kar-sygdomme, metaboliske forstyrrelser, type 2-diabetes samt visse former for kræft [25-27].

 

KONKLUSION

På baggrund af opdagelserne, der blev gjort af de tre nobelpristagere i fysiologi eller medicin fra 2017, er de mekanismer, som styrer vores døgnrytmer via et indre cirkadiant timingsystem klarlagt. Systemet består af hjernens ur, som dagligt justeres til omgivelsernes lys/mørke og perifere ure i næsten alle celletyper i kroppen. I urfunktionen i den enkelte celle indgår såkaldte urgener og deres genprodukter, som i positive og negative transkriptionelle, translationelle feedbackloop driver en vedholdende rytme. Siden nobelpristagernes opdagelser i 1980’erne og 1990’erne har cirkadianbiologi været et yderst dynamisk forskningsfelt, hvor man inden for de seneste år har fokuseret på vores sundhed og sygdomsudvikling. Forstyrrelser i den cirkadiane synkronisering og ikke mindst cirkadian disruption mellem det indre timingsystem og omgivelserne er en udfordring i det moderne 24/7-samfund.

 

Korrespondance: Jan Fahrenkrug. E-mail: jan.fahrenkrug@regionh.dk

Antaget: 2. maj 2018

Publiceret på Ugeskriftet.dk: 3. september 2018

Interessekonflikter: Forfatterens ICMJE-formular er tilgængelig sammen med artiklen på Ugeskriftet.dk

Reference: 
Ugeskr Læger 2018;180:V03180212
Blad nummer: 

Summary

Jan Fahrenkrug:

The brain’s biological clock

Ugeskr Læger 2018;180:V03180212

Daily biological rhythms are controlled by a clock system, composed of a hierarchical multi-oscillator structure. Each cell in this system harbours a self-sustained autonomous molecular oscillator. Light adjusts the phase of the brain oscillator to the environmental light/dark cycle by intrinsically photosensitive retinal ganglion cells through their own photoreceptor, melanopsin, and by using the neuropeptide called pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide as well as glutamate as neurotransmitters. The circadian synchronisation system is critical to health, and breakdown of the 24-hours temporal order could lead to pathological conditions.

LITTERATUR

  1. Zehring WA, Wheeler DA, Reddy P et al. P-element transformation with period locus DNA restores rhythmicity to mutant, arrhythmic Drosophila melanogaster. Cell 1984;39:369-76.

  2. Bargiello TA, Jackson FR, Young MW. Restoration of circadian behavioural rhythms by gene transfer in Drosophila. Nature 1984;312:752-4.

  3. Vosshall LB, Price JL, Sehgal A et al. Block in nuclear localization of
    period protein by a second clock mutation, timeless. Science 1994;
    263:1606-9.

  4. Dibner C, Schibler U, Albrecht U. The mammalian circadian timing system: organization and coordination of central and peripheral clocks. Annu Rev Physiol 2010;72:517-49.

  5. Stephan FK, Zucker I. Circadian rhythms in drinking behavior and locomotor activity of rats are eliminated by hypothalamic lesions. Proc Natl Acad Sci USA 1972;69:1583-6.

  6. Pfeffer M, Korf HW, Wicht H. Synchronizing effects of melatonin on diurnal and circadian rhythms. Gen Comp Endocrinol 2018;258:215-21.

  7. Moore RY, Speh JC, Leak RK. Suprachiasmatic nucleus organization. Cell Tissue Res 2002;309:89-98.

  8. Hannibal J, Georg B, Fahrenkrug J. PAC1- and VPAC2 receptors in light regulated behavior and physiology: studies in single and double mutant mice. PLoS One 2017;12:1-16.

  9. Hannibal J, Hsiung HM, Fahrenkrug J. Temporal phasing of locomotor activity, heart rate rhythmicity, and core body temperature is disrupted in VIP receptor 2-deficient mice. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2011;300:R519-R530.

  10. Aton SJ, Colwell CS, Harmar AJ et al. Vasoactive intestinal polypeptide mediates circadian rhythmicity and synchrony in mammalian clock neurons. Nat Neurosci 2005;8:476-83.

  11. Zhang R, Lahens NF, Ballance HI et al. A circadian gene expression atlas in mammals: implications for biology and medicine. Proc Natl Acad Sci USA 2014;111:16219-24.

  12. Robinson I, Reddy AB. Molecular mechanisms of the circadian clockwork in mammals. FEBS Lett 2014;588:2477-83.

  13. Buhr ED, Takahashi JS. Molecular components of the mammalian circadian clock. Handb Exp Pharmacol 2013;217:3-27.

  14. Lowrey PL, Shimomura K, Antoch MP et al. Positional syntenic cloning and functional characterization of the mammalian circadian mutation tau. Science 2000;288:483-92.

  15. Toh KL, Jones CR, He Y et al. An hPer2 phosphorylation site mutation in familial advanced sleep phase syndrome. Science 2001;291:1040-3.

  16. Golombek DA, Rosenstein RE. Physiology of circadian entrainment. Physiol Rev 2010;90:1063-102.

  17. Do MT, Yau KW. Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells.
    Physiol Rev 2010;90:1547-81.

  18. Lucas RJ, Lall GS, Allen AE et al. How rod, cone, and melanopsin photoreceptors come together to enlighten the mammalian circadian clock. Prog Brain Res 2012;199:1-18.

  19. Schmidt TM, Do MT, Dacey D et al. Melanopsin-positive intrinsically photosensitive retinal ganglion cells: from form to function. J Neurosci 2011;31:16094-101.

  20. Hannibal J, Christiansen AT, Heegaard S et al. Melanopsin expressing human retinal ganglion cells: subtypes, distribution, and intraretinal connectivity. J Comp Neurol 2017;525:1934-61.

  21. Fahrenkrug J, Falktoft B, Georg B et al. Phosphorylation of rat melanopsin at Ser-381 and Ser-398 by light/dark and its importance for intrinsically photosensitive ganglion cells (ipRGCs) cellular Ca2+ signaling. J Biol Chem 2014;289:35482-93.

  22. Hannibal J, Fahrenkrug J. Neuronal input pathways to the brain‘s biological clock and their functional significance. Adv Anat Embryol Cell Biol 2006;182:1-71.

  23. Shigeyoshi Y, Taguchi K, Yamamoto S et al. Light-induced resetting of a mammalian circadian clock is associated with rapid induction of the mPer1 transcript. Cell 1997;91:1043-53.

  24. Shearman LP, Zylka MJ, Weaver DR et al. Two period homologs: circadian expression and photic regulation in the suprachiasmatic nuclei. Neuron 1997;19:1261-9.

  25. Arendt J. Shift work: coping with the biological clock. Occup Med 2010;60:10-20.

  26. Roenneberg T, Merrow M. The circadian clock and human health. Curr Biol 2016;26:R432-R443.

  27. Bass J, Lazar MA. Circadian time signatures of fitness and disease. Science 2016;354:994-9.

Right side

af Jørgen Skov Jensen | 05/07
1 Kommentar
af Bodil Thordis Lyngholm | 03/07
6 kommentarer
af Anette Bygum | 02/07
1 Kommentar
af Ejnar Skytte Ankersen | 02/07
1 Kommentar
af Hanne Madsen | 01/07
1 Kommentar
af Jan Henrik Værnet | 01/07
1 Kommentar
af Simon Wehner Fage | 01/07
4 kommentarer
af Henrik Keller | 27/06
4 kommentarer
af Jerzy Miskowiak | 27/06
1 Kommentar