ساعت زیستی بدن: رونمایی از ریتم‌های حیات

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

ساعت زیستی سلول، یک مکانیسم اساسی و پیچیده ذاتی در همه موجودات زنده است که مجموعه­ای از فرآیندهای فیزیولوژیکی و رفتاری را با دقت قابل‌توجهی اداره می­کند. اساس مولکولی ساعت زیستی سلولی حول فعل و انفعال پیچیده بین ژن‌های هسته ساعت و محصولات پروتئینی آنها می‌چرخد و حلقه‌های بازخورد رونویسی-ترجمه‌ای را تشکیل می‌دهد که ریتم­های تقریباً 24 ساعته ایجاد می‌کند. این مقاله به بررسی هماهنگی ساعت‌های سلولی با نشانه‌های محیطی، از جمله نور می‌پردازد، و اینکه چگونه این سیگنال‌های خارجی ریتم‌های داخلی را برای همسویی با چرخه شبانه‌روزی همگام می‌کنند. تأکید ویژه­ای بر نقش هسته سوپراکیاسماتیک (SCN) در مغز پستانداران شده است که به‌عنوان ضربان‌ساز اصلی برای همگام‌سازی ساعت­های محیطی در سراسر بدن عمل می­کند. علاوه‌بر این، تأثیر عمیق اختلال شبانه‌روزی بر سلامت انسان را بررسی می­شود و دخالت آن را در اختلالات مختلف، از بیماری­های متابولیک گرفته تا اختلالات خلقی، نشان داده شده است. این مقاله تلاش‌های تحقیقاتی فعلی را با هدف کشف مکانیسم‌های زیربنایی ساعت زیستی سلولی برجسته می‌کند. درک عملکرد پیچیده این زمان‌سنج داخلی پتانسیل قابل‌توجهی برای توسعه رویکردهای کرونوتراپی و بهینه‌سازی راهبردی درمانی برای اختلالات مختلف دارد. در نهایت به ارائه راهکارهایی جهت تنظیم دقیق و بهینه ساعت زیستی بدن و ریتم شبانه‌روزی می پردازد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Biological Clock: Unveiling The Rhythms of Life

نویسندگان [English]

  • Mitra Pirhaghi
  • Ali Akbar Moosavi-Movahedi
Institute of Biochemistry and Biophysics, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده [English]

The cellular circadian clock is a fundamental and intricate intrinsic mechanism present in all living organisms, governing a diverse set of physiological and behavioral processes with notable precision. At the molecular level, the cellular circadian clock revolves around complex interactions between core clock genes and their protein products, forming transcription-translation feedback loops that generate approximately 24-hour rhythms. This article delves into the coordination of cellular clocks with environmental cues, including light, and explores how these external signals synchronize internal rhythms with the daily circadian rhythm. Special emphasis is placed on the role of the suprachiasmatic nucleus (SCN) in mammalian brains, acting as the central pacemaker to synchronize environmental clocks throughout the body. Furthermore, the profound impact of circadian disruptions on human health is examined, with its involvement demonstrated in various disorders, ranging from metabolic diseases to mood disorders. This article highlights current research endeavors aimed at unraveling the underlying mechanisms of the cellular circadian clock. Understanding the intricate functioning of this internal timekeeper holds considerable potential for the development of chrono-therapeutic approaches and the optimization of therapeutic strategies for diverse disorders. Finally, we propose potential solutions for precise and optimal regulation of the body's cellular circadian clock and daily rhythm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biological Clock
  • Circadian Rhythm
  • Suprachiasmatic Nucleus
  • Chronotherapy
[1].     Vitaterna, M.H., J.S. Takahashi, and F.W. Turek, Overview of circadian rhythms. Alcohol Res Health, 2001. 25(2): p. 85-93.
[2].     biological rhythm. Available from: https://kids.britannica.com/students/article/biological-clock/273219.
[3].     Brainard, J., et al., Health implications of disrupted circadian rhythms and the potential for daylight as therapy. Anesthesiology, 2015. 122(5): p. 1170-1175.
[4].     Addison, K.F. and J.J. Harris, How do our cells tell time? . Front. Young Minds, 2019. 7(5): p. 1-8.
[5].     Sollars, P.J. and G.E. Pickard, The Neurobiology of Circadian Rhythms. Psychiatr Clin North Am, 2015. 38(4): p. 645-665.
[6].     J, A.K.a.H., How Do Our Cells Tell Time? Front. Young Minds., 2019. 7(5).
[7].     Logan, R.W. and C.A. McClung, Rhythms of life: circadian disruption and brain disorders across the lifespan. Nat Rev Neurosci, 2019. 20(1): p. 49-65.
[8].     Aschoff, J., Exogenous and endogenous components in circadian rhythms. Cold Spring Harb Symp Quant Biol, 1960. 25: p. 11-28.
[۹]. میترا پیرحقی، محمد فرهادی، علی اکبر موسوی موحدی " سبک زندگی و پزشکی خواب"  نشریه نشا علم، مجلد6،  شماره2 ، صفحات 103-113 سال 1395
[10].   Dimitriu, E.S.a.A. Circadian Rhythm: What it is, what shapes it, and why it's fundamental to getting quality sleep. 2023; Available from: https://www.sleepfoundation.org/circadian-rhythm.
[12].   Moosavi-Movahedi, F. and R. Yousefi, Good Sleep as an Important Pillar for a Healthy Life, in Rationality and Scientific Lifestyle for Health, A.A. Moosavi-Movahedi, Editor. 2021, Springer International Publishing: Cham. p. 167-195.
[13].   Ishida, N., M. Kaneko, and R. Allada, Biological clocks. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1999. 96(16):p. 8819-8820.
[14].   Dibner, C. and U. Schibler, Circadian timing of metabolism in animal models and humans. J Intern Med, 2015. 277(5): p. 513-527.
[15].   Berson, D.M., Strange vision: ganglion cells as circadian photoreceptors. Trends Neurosci, 2003. 26(6): p. 314-320.
[16].   Czeisler, C.A., et al., Suppression of melatonin secretion in some blind patients by exposure to bright light. N Engl J Med, 1995. 332(1): p. 6-11.
[17].   Konopka, R.J. and S. Benzer, Clock mutants of Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci U S A, 1971. 68(9): p. 2112-2116.
[18].   Klarsfeld, A., S. Birman, and F. Rouyer, [Nobel time for the circadian clock - Nobel Prize in Medicine 2017: Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash and Michael W. Young]. Med Sci (Paris), 2018. 34(5): p. 480-484.
[۱۹]. مرجان سلیمان پور، رضا یوسفی ، علی اکبر موسوی موحدی "ملاتونین: آنتی اکسیدان محصول خواب با کیفیت" نشریه نشا علم، مجلد7،  شماره2 ، صفحات 107-115 سال 1396
[20].   Delbès, A.-S., et al., Mice with humanized livers reveal the role of hepatocyte clocks in rhythmic behavior. Science Advances. 9(20): p. eadf2982.
[21].   Liver Cells Control our Biological Clock. Available from: https://u-paris.fr/en/liver-cells-control-our-biological-clock/.
[22].   Zee, P.C. and M.V. Vitiello, Circadian Rhythm Sleep Disorder: Irregular Sleep Wake Rhythm Type. Sleep Med Clin, 2009. 4(2): p. 213-218.
[23].   Abbott, S.M., R.G. Malkani, and P.C. Zee, Circadian disruption and human health: A bidirectional relationship. Eur J Neurosci, 2020. 51(1): p. 567-583.
[24].   Straif, K., et al., Carcinogenicity of shift-work, painting, and fire-fighting. Lancet Oncol, 2007. 8(12): p. 1065-1066.
[25].   Menegaux, F., et al., Night work and breast cancer: a population-based case-control study in France (the CECILE study). Int J Cancer, 2013. 132(4): p. 924-931.
[26].   Hansen, J. and C.F. Lassen, Nested case-control study of night shift work and breast cancer risk among women in the Danish military. Occup Environ Med, 2012. 69(8): p. 551-556.
[27].   Brown, D.L., et al., Rotating night shift work and the risk of ischemic stroke. Am J Epidemiol, 2009. 169(11): p. 1370-1377.
[28].   Pan, A., et al., Rotating night shift work and risk of type 2 diabetes: two prospective cohort studies in women. PLoS Med, 2011. 8(12): p. e1001141.
[29].   Forman, J.P., G.C. Curhan, and E.S. Schernhammer, Urinary melatonin and risk of incident hypertension among young women. J Hypertens, 2010. 28(3): p. 446-451.
[30].   McMullan, C.J., et al., Melatonin secretion and the incidence of type 2 diabetes. Jama, 2013. 309(13): p. 1388-1396.
[31].   Lauretti, E., et al., Circadian rhythm dysfunction: a novel environmental risk factor for Parkinson's disease. Mol Psychiatry, 2017. 22(2): p. 280-286.
[32].   Jack, C.R., Jr. and D.M. Holtzman, Biomarker modeling of Alzheimer's disease. Neuron, 2013. 80(6): p. 1347-1358.
[33].   Innominato, P.F., F.A. Lévi, and G.A. Bjarnason, Chronotherapy and the molecular clock: Clinical implications in oncology. Adv Drug Deliv Rev, 2010. 62(9-10): p. 979-1001.
[34].   Kaur, G., et al., Timing is important in medication administration: a timely review of chronotherapy research. Int J Clin Pharm, 2013. 35(3): p. 344-358.
[35].   Barger, L.K., et al., Daily exercise facilitates phase delays of circadian melatonin rhythm in very dim light. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol, 2004. 286(6): p. R1077-1084.
[36].   Miyazaki, T., et al., Phase-advance shifts of human circadian pacemaker are accelerated by daytime physical exercise. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol, 2001. 281(1): p. R197-205.
[37].   Fan, E.P., et al., Abnormal environmental light exposure in the intensive care environment. J Crit Care, 2017. 40: p. 11-14.
[38].   Nagtegaal, J.E., et al., Delayed sleep phase syndrome: A placebo-controlled cross-over study on the effects of melatonin administered five hours before the individual dim light melatonin onset. J Sleep Res, 1998. 7(2): p.135-143.
[39].   BURKE, K.L. Fixing Broken Biological Clocks. 2021; Available from: https://www.americanscientist.org/article/fixing-broken-biological-clocks.
[40].   Pilorz, V., et al., Melanopsin Regulates Both Sleep-Promoting and Arousal-Promoting Responses to Light. PLoS Biol, 2016. 14(6): p. e1002482.