Zegar biologiczny bierze udział w wielu aspektach regulacji złożonej fizjologii u wszystkich zwierząt. W 1935 roku niemieccy zoolodzy, Hans Kalmus i Erwin Bünning, odkryli istnienie rytmu okołodobowego u Drosophila melanogaster. Jednak wewnętrzne mechanizmy molekularne stojące za zegarem okołodobowym pozostawały tajemnicą aż do 1984 roku, kiedy Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young odkryli ekspresję genu Per oscylującego w cyklu 24-godzinnym. W kolejnych latach zidentyfikowano wiele innych genów towarzyszących, a mechanizm regulacji rytmów okołodobowych został jeszcze bardziej odkryty. Wkład Jeffreya C. Halla, Michaela Rosbasha i Michaela W. Younga w zrozumienie wewnętrznych biologicznych zegarów okołodobowych został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 2017 roku.

Molekularny mechanizm rytmów okołodobowych

U Drosophila białko Period (PER) jest głównym białkiem regulatorowym, które kontroluje wewnętrzne rytmy okołodobowe w komórkach. PER tworzy kompleks z innym niezbędnym białkiem o nazwie Timeless (TIM) i dostaje się do jądra. Tutaj może regulować poziomy ekspresji PER w komórce poprzez hamowanie sprzężenia zwrotnego. Dodatkowo kontroluje również ekspresję innych genów poprzez hamowanie aktywności aktywatorów transkrypcji Zegara i Cyklu. Co ważne, stabilność kompleksu PER/TIM zależy od obecności lub braku światła, co oznacza, że ulega on degradacji w warunkach dziennych. W rezultacie ekspresja genów znajdujących się za kompleksem PER/TIM jest kontrolowana przez światło, a zjawisko to pozwala na synchronizację zegara okołodobowego.

U ssaków regulacja rytmu okołodobowego działa w bardzo podobny sposób. Jednak ze względu na dodanie kilku genów paralog, regulacja całego szlaku jest znacznie bardziej skomplikowana niż u Drosophila.

Znaczenie rytmów okołodobowych

Wszystkie żywe organizmy na Ziemi ewoluowały w obecności 24-godzinnych cykli dnia i nocy i odpowiednio dostosowały swoje reakcje komórkowe, fizjologiczne i behawioralne. Na przykład dobowe cykle snu i czuwania, temperatura ciała i uwalnianie hormonów u ssaków są kontrolowane przez rytmy okołodobowe. Nieregularny rytm okołodobowy może prowadzić do wielu problemów zdrowotnych, takich jak choroba afektywna dwubiegunowa lub zaburzenia snu. Dodatkowo zaburzenie rytmu okołodobowego może skutkować niekorzystnym wpływem na inne układy organizmu, w tym układ sercowo-naczyniowy.