De combinatie van wiskundige modellering en experimenten identificeert het verschil in het moleculaire klokwerk van meester- en slaafklokneuronen in Drosophila. Dit lost het al lang bestaande mysterie op van de moleculaire mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de paradoxale eigenschappen van robuustheid (sterke ritmes) en plasticiteit (flexibele aanpassing) van de circadiane klok (~24 uur).

Hoe ons dagelijks ritme wordt gereguleerd

Van kleine fruitvliegjes tot mensen, alle dieren op aarde houden hun dagelijkse ritme bij met behulp van hun interne circadiane klok. De circadiane klok stelt organismen in staat om ritmische veranderingen in hun gedrag en fysiologie te ondergaan op basis van een 24-uurs circadiane cyclus. Onze eigen biologische klok instrueert bijvoorbeeld onze hersenen om ’s nachts melatonine, een slaapbevorderend hormoon, vrij te geven. De ontdekking van het moleculaire mechanisme van de circadiane klok werd bekroond met de 2017 Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde. Volgens onze huidige kennis is er geen centrale klok verantwoordelijk voor onze circadiane cycli. In plaats daarvan functioneert dit mechanisme in een hiërarchisch netwerk met een “hoofdklok” en “slaafoscillatoren”.

De moederklok ontvangt verschillende ingangssignalen uit de omgeving, zoals licht. De master stuurt vervolgens de slave-oscillator aan, die verschillende outputs regelt, zoals slaap, voeding en metabolisme. Ondanks de verschillende functies van pacemakerneuronen, is bekend dat ze gemeenschappelijke moleculaire mechanismen delen die in alle levensvormen goed bewaard zijn gebleven. Zo zijn bijvoorbeeld onderling verbonden systemen van meerdere transcriptionele-translationele feedback-lussen (TTFLs) bestaande uit nucleaire klok-eiwitten in detail bestudeerd in fruitvliegen.

Master Clock en Slave Clock functioneren via verschillende moleculaire mechanismen

Er valt echter nog veel te leren over onze eigen biologische klok. De hiërarchisch georganiseerde aard van master en slave klokneuronen leidt tot de wijdverspreide aanname dat ze een identiek moleculair klokwerk hebben. Tegelijkertijd roept de verschillende rol die ze spelen in het reguleren van het lichaamsritme de vraag op of ze misschien functioneren met verschillende moleculaire klokwerken. Onder leiding van prof. KIM Jae Kyoung en KIM Eun Young hebben onderzoekers van het Institute for Basic Science (IBS) en Ajou University een combinatie van wiskundige en experimentele benaderingen gebruikt met behulp van fruitvliegen om deze vraag te beantwoorden. Het team ontdekte dat de hoofdklok en de slaafklok via verschillende moleculaire mechanismen werken.

Een circadiane ritme-eiwit genaamd PER wordt geproduceerd in zowel de master- als de slave-neuronen van fruitvliegen en wordt afhankelijk van de tijd van de dag in verschillende tempo’s afgebroken. Eerder had het team ontdekt dat hoofdklokneuronen (_sLNvs) en slaafklokneuronen (_DN1ps) in wild-type en Clk-Δ mutanten van Drosophila verschillende PER-profielen hebben. Dit suggereerde dat er een verschil zou kunnen zijn in de moleculaire klokmechanismen tussen master en slave klokneuronen.

Door de complexiteit van het moleculaire klokmechanisme was het echter moeilijk om de oorzaak van deze verschillen te achterhalen. Het team ontwikkelde daarom een wiskundig model dat het moleculaire klokwerk van de master- en slaveklokken beschrijft. Alle mogelijke moleculaire verschillen tussen de neuronen van de master- en slaveklok werden vervolgens systematisch onderzocht met behulp van computersimulaties. Het model voorspelde dat PER efficiënter wordt geproduceerd in de moederklok en vervolgens sneller wordt afgebroken dan in de neuronen van de slaveklok. Deze voorspelling werd vervolgens bevestigd door vervolgexperimenten in dieren.

Wanneer de circadiane klok zijn robuustheid en flexibiliteit verliest, kunnen circadiane slaapstoornissen optreden

Waarom hebben hoofdklokneuronen dan zulke andere moleculaire eigenschappen dan slaafklokneuronen? Om deze vraag te beantwoorden combineerde het onderzoeksteam opnieuw wiskundige modelsimulaties met experimenten. Ze ontdekten dat de snellere synthese van PER in hoofdklokneuronen hen in staat stelt om gesynchroniseerde ritmes met een hoge amplitude te genereren. Het genereren van zo’n sterk ritme met een hoge amplitude is cruciaal voor het sturen van duidelijke signalen naar de slaafklokneuronen. Zulke sterke ritmes zijn echter over het algemeen ongunstig als het gaat om aanpassing aan veranderingen in de omgeving. Dit zijn natuurlijke oorzaken zoals verschillende daglichturen in de zomer en winter, maar ook extremere kunstmatige gevallen zoals een jetlag na een internationale reis.

Dankzij de speciale eigenschap van hoofdklokneuronen kunnen ze een faseverschuiving ondergaan wanneer de normale licht-donkercyclus wordt verstoord, waardoor de PER-niveaus dramatisch dalen. De hoofdklokneuronen kunnen zich dan gemakkelijk aanpassen aan de nieuwe dagelijkse cyclus. De plasticiteit van onze hoofdklok verklaart waarom we ons na internationale vluchten snel kunnen aanpassen aan de nieuwe tijdzone na slechts een korte jetlagfase. Men hoopt dat de resultaten van dit onderzoek in de toekomst klinische implicaties zullen hebben voor de behandeling van verschillende aandoeningen die ons circadiane ritme beïnvloeden. Hoofdonderzoeker Kim legt uit: “Wanneer de circadiane klok zijn robuustheid en flexibiliteit verliest, kunnen circadiane slaapstoornissen optreden. Aangezien dit onderzoek het moleculaire mechanisme identificeert dat de robuustheid en flexibiliteit van de circadiane klok genereert, kan het de identificatie van de oorzaak en de behandelingsstrategie voor circadiane slaapstoornissen vergemakkelijken.”