Naukowcy z University of Pittsburgh School of Medicine zgłosili pierwsze dowody na 12-godzinne cykle aktywności genów w ludzkim mózgu. Badanie, w którym oceniano ekspresję genów w pośmiertnej tkance mózgowej, wykazało, że niektóre z tych 12-godzinnych rytmów są nieobecne lub zmienione w pośmiertnych mózgach pacjentów ze schizofrenią, w porównaniu z tkanką mózgową osób bez diagnozy psychiatrycznej.

Colleen A. McClung, współautorka artykułu zespołu opublikowanego w r PLOS Biologia, powiedział: „Odkryliśmy, że ludzki mózg ma nie tylko okołodobowe (24-godzinne) rytmy w ekspresji genów, ale także 12-godzinne rytmy w wielu genach, które są ważne dla funkcji komórkowych i utrzymania neuronów. Wiele z tych rytmów ekspresji genów zanika u osób ze schizofrenią, a w transkryptach związanych z mitochondriami dochodzi do dramatycznej zmiany rytmu, co może prowadzić do nieoptymalnej funkcji mitochondriów w porach dnia, kiedy energia komórkowa jest najbardziej potrzebna”.

Naukowcy, kierowani przez dr Madeline R. Scott, opisali swoje wyniki w artykule zatytułowanym „Dwanastogodzinne rytmy ekspresji transkryptów w ludzkiej grzbietowo-bocznej korze przedczołowej są zmienione w schizofrenii”, w którym skomentowali: „Te odkrycia wskazują, że 12-godzinne rytmy w mózgu są związane z procesami niezbędnymi dla podstawowych funkcji komórkowych – i mogą mieć fundamentalne znaczenie dla procesów synchronizacji w celu maksymalizacji zasobów i rezerwowania energii, gdy nie jest potrzebna… Przyszłe badania określą funkcjonalne konsekwencje tych odkryć dla optymalnego zdrowia mózgu i patofizjologii zaburzeń mózgu”.

Autorzy wyjaśnili, że rytmy biologiczne pozwalają organizmom, od bakterii po ludzi, przewidywać i reagować na zmiany w ich środowisku w cyklu światło/ciemność. „Rytmy te występują w wielu skalach, od pór roku przez dni po godziny, a znaczenie rytmów okołodobowych dla zdrowia i choroby stało się coraz bardziej oczywiste w ciągu ostatnich kilku dekad, szczególnie w kontekście chorób psychicznych”.

Jednak praktycznie nic nie wiadomo na temat aktywności genów w mózgu – zdrowych czy nie – dla cykli krótszych niż zwykłe 24-godzinne rytmy. Dwunastogodzinne (12-godzinne) rytmy ultradobowe od dawna obserwuje się u przybrzeżnych zwierząt morskich, które muszą dostosować swoje zachowanie do pływów oceanicznych. Ostatnie badania zidentyfikowały również 12-godzinne rytmy w ekspresji genów wśród zwierząt, w tym organizmu modelowego glisty, C. elegancja, myszy i pawiany oliwne, zauważył zespół. „Różne aspekty ludzkiego zachowania (wzorce snu, zdolności poznawcze) i fizjologia (temperatura ciała, ciśnienie krwi, początek migreny, poziomy hormonów krążących) również wykazują rytmy 12-godzinne” – zauważyli. Jednak żadne badanie nie zmierzyło jeszcze rytmów 12-godzinnych w ludzkim mózgu i nie wiadomo, czy procesy, które wykazują rytmy 12-godzinne, są regulowane przez molekularne rytmy ultradobowe. „Dużo mniej wiadomo na temat rytmów ultradobowych, w tym na temat ich rozpowszechnienia w ludzkim mózgu i tego, czy są one zaburzone u osób z zaburzeniami psychicznymi” – stwierdzili badacze. „Dlatego charakterystyka transkryptomu ultradianowego ludzkiego mózgu poszerzy naszą wiedzę na temat rytmów ekspresji transkryptów w mózgu i ich udziału w dysfunkcjach u osób z nieprawidłowościami w funkcjonowaniu mózgu”.

Schizofrenia (SZ) to przewlekła choroba neuropsychiatryczna, która dotyka ponad 20 milionów ludzi na całym świecie i jest główną przyczyną niepełnosprawności, kontynuowali. Na przykład wiadomo, że pacjenci ze schizofrenią mają zaburzenia kilku rodzajów 24-godzinnych rytmów okołodobowych organizmu, w tym cykli snu/czuwania, poziomów hormonów i aktywności genów w korze przedczołowej mózgu. Aby wyszukać 12-godzinne rytmy transkrypcji w pośmiertnych mózgach pacjentów ze schizofrenią, zespół zastosował podejście znane jako analiza czasu śmierci (TOD), w której dane dotyczące ekspresji genów są uporządkowane w ciągu 24 godzin na podstawie czasu dzień śmierci podmiotu. Ta metoda może pomóc w identyfikacji znaczących zmian we wzorcach rytmu ekspresji genów związanych z określonymi regionami mózgu. W swoich badaniach zespół skupił się na grzbietowo-bocznej korze przedczołowej (DLPFC), ponieważ ten obszar mózgu jest związany z objawami poznawczymi i innymi nieprawidłowościami w rytmach ekspresji genów, które zaobserwowano w schizofrenii.

Ich badania wykazały rytmy 12-godzinne w transkryptach, które osiągają szczyt w przejściach między snem a czuwaniem (około 9 rano/po południu) lub w czasie statycznym (około 15 po południu/rano) w grzbietowo-bocznej korze przedczołowej mózgu u osób bez diagnozy psychiatrycznej (NP) . Zidentyfikowali liczne geny w tym regionie mózgu, które wykazywały takie 12-godzinne rytmy aktywności. Wśród nich poziomy aktywności genów związanych z budowaniem połączeń między neuronami osiągały szczyt w godzinach popołudniowych/nocnych, podczas gdy te związane z funkcją mitochondriów (a tym samym zaopatrzeniem w energię komórkową) osiągały szczyty rano/wieczorem.

W przeciwieństwie do tego mózgi pośmiertne pacjentów ze schizofrenią zawierały mniej genów z 12-godzinnymi cyklami aktywności, a te związane z połączeniami nerwowymi były całkowicie nieobecne. „… zgodnie z naszą wiedzą, to badanie jest pierwszym, w którym zidentyfikowano 12-godzinne rytmy w ekspresji transkryptu w ludzkim mózgu” – zauważył zespół. „Rytmy te są związane z podstawowymi procesami komórkowymi… Jednak w SZ występuje silna redukcja liczby transkryptów z rytmami 12-godzinnymi… Osoby ze schizofrenią (SZ) tracą rytmy 12-godzinne w genach związanych z odpowiedzią na niesfałdowane białka i neuronami utrzymanie konstrukcji”. Dodatkowo, chociaż geny związane z mitochondriami w próbkach mózgu chorych na schizofrenię utrzymywały 12-godzinny rytm, ich aktywność nie osiągnęła szczytu w normalnych czasach. Zespół odkrył, że w mózgu osoby cierpiącej na schizofrenię geny zaangażowane w funkcje mitochondriów i translację białek, które normalnie osiągają maksimum podczas przejścia między snem a czuwaniem, osiągają maksimum w czasach statycznych „… co sugeruje nieoptymalny czas tych podstawowych procesów”.

Zespół stwierdził, że to, czy te nieprawidłowe rytmy leżą u podstaw nieprawidłowości behawioralnych w schizofrenii, czy też wynikają z leków, używania nikotyny lub zaburzeń snu, powinno zostać zbadane w przyszłych badaniach. „Nasze odkrycia najlepiej pasują do idei dedykowanego zegara 12-godzinnego, ale aby to potwierdzić, konieczne będą przyszłe prace na modelach komórkowych i zwierzęcych”.