تحديد بروتين «الجهاز البصري» لاستقرار إيقاع الساعة البيولوجية

حدد العلماء في كلية الطب بجامعة جونز هوبكنز والمعاهد الوطنية للصحة بروتينًا في الجهاز البصري للفئران يبدو أنه المفتاح لتحقيق الاستقرار في إيقاعات الجسم البيولوجية عن طريق تقليل استجابة الدماغ للضوء.

وقال مؤلفو الدراسة إن هذه النتائج، التي نُشرت في مجلة PLoS Biology، تعزز الجهود المبذولة لعلاج اضطرابات النوم واضطراب الرحلات الجوية الطويلة بشكل أفضل، وفقا لما تم نشره في موقع ميديكال إكسبريس.

وقال أليكس كولودكين، أستاذ في قسم علم الأعصاب بجامعة جونز هوبكنز، ونائب مدير معهد العلوم الطبية الحيوية الأساسية: «إذا تم تعديل إيقاعات الساعة البيولوجية مع كل تغير سريع في الإضاءة، مثل الكسوف أو يوم مظلم وممطر للغاية، فإنها لن تكون فعالة جدًا في تنظيم السلوكيات الدورية مثل النوم والجوع، البروتين الذي حددناه يساعد في توصيل الدماغ أثناء التطور العصبي، للسماح باستجابات مستقرة لتحديات إيقاع الساعة البيولوجية من يوم لآخر».

شارك كولودكين في قيادة الدراسة مع الدكتور سامر حتر، رئيس قسم الضوء وإيقاعات الساعة البيولوجية في المعهد الوطني للصحة العقلية.

لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن معظم الكائنات الحية لديها ساعة يومية، وهي مجموعة من الإيقاعات البيولوجية التي تعمل على مدار 24 ساعة تقريبًا وتؤثر على اليقظة والنعاس والشهية ودرجة حرارة الجسم، من بين سلوكيات دورية أخرى.

إن الإخلال بهذا النظام، من خلال العمل بنظام الورديات أو السفر لمسافات طويلة عبر مناطق زمنية وإضاءة متعددة لدى البشر، على سبيل المثال، يمكن أن يكون له عواقب وخيمة.

مخاطر اضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية

تربط الدراسات السابقة الاضطرابات المستمرة في إيقاع الساعة البيولوجية بزيادة خطر الإصابة بالسرطان والاكتئاب ومجموعة من المشاكل الطبية الأخرى.

يتم تدريب الأنظمة اليومية بشكل أساسي من خلال التعرض للضوء.

وبالرغم من أن الباحثين قد أحرزوا تقدمًا كبيرًا خلال العقود القليلة الماضية في تحديد الآليات المسؤولة عن إيقاعات الساعة البيولوجية، إلا أنه ظل من غير الواضح كيف يصبح الدماغ موصلًا لها.

تفاصيل البحث

لمعرفة المزيد، قام كولودكين وهاتر، جنبًا إلى جنب مع مؤلفي الدراسة الأوائل جون هونيارا وكات دالي وزملائهما، بالبحث في قاعدة بيانات عن الجزيئات البيولوجية الموجودة أثناء التطور في مركز التحكم في إيقاعات الساعة البيولوجية في دماغ الفأر - النواة فوق التصالبية (SCN).

تقع هذه الشبكة عميقًا داخل دماغ الفأر والإنسان في منطقة ما تحت المهاد، وتقع بالقرب من المناطق التي تتحكم في الرؤية وتقيم اتصالات مع خلايا الدماغ التي تؤدي إلى شبكية العين، وهو الجزء الذي يستشعر الضوء في العين.

ركز فريق البحث بسرعة على بروتين سطح الخلية المسمى Teneurin-3 (Tenm3)، وهو جزء من عائلة أكبر من البروتينات التي تلعب أدوارًا رئيسية في مجموعة دوائر الجهاز البصري وبشكل عام في دوائر الجهاز العصبي المركزي الأخرى.

عندما قام الباحثون بتعديل الفئران وراثيا لمنع إنتاج Tenm3، طورت الحيوانات اتصالات أقل بين شبكية العين والشبكة العصبية التائية الصغيرة، مقارنة بالحيوانات التي لديها Tenm3 سليمة. ومع ذلك، فإن الفئران التي تفتقر إلى Tenm3 طورت اتصالًا أكبر بكثير بين الخلايا الموجودة في قلب وقشرة SCN، حيث يميل Tenm3 إلى التوطين.

لمعرفة كيف يمكن لـ Tenm3 أن يعمل على استقرار إيقاعات الساعة البيولوجية أو إخضاعها للاضطراب حتى من خلال قدر ضئيل من الضوء، صمم العلماء مجموعة من التجارب.

أولًا، قاموا بتدريب الفئران التي تفتقر إلى Tenm3 على دورة ضوء/ظلام مدتها 12 ساعة، ثم قاموا بإزاحة فترة الظلام للأمام بمقدار ست ساعات. استغرقت الفئران التي لديها Tenm3 سليمة حوالي 4  أيام لإعادة ضبط إيقاعاتها البيولوجية مع هذا التحول، كما تم قياسه من خلال أنماط النشاط التشخيصية لدورات النوم العادية.

ومع ذلك، فإن الحيوانات التي لا تحتوي على Tenm3، تأقلمت بسرعة أكبر بكثير، في حوالي نصف الوقت.

عندما أجرى الباحثون تجربة مماثلة مع ضوء خافت مرتين كما في الاختبار السابق، استغرق الأمر من الفئران السليمة التي تحتوي على Tenm3 حوالي 8 أيام لضبط دوراتها البيولوجية، ولكن حوالي 4 أيام فقط للفئران التي لا تحتوي على Tenm3.

حتى مجرد نبضة من الضوء الخافت مدتها 15 دقيقة حفزت الفئران التي تفتقر إلى Tenm3 - ولكن ليس الفئران التي لديها بروتين Tenm3 الطبيعي - لإنتاج مادة كيميائية في الدماغ تعمل كبديل للتعرض للضوء، مما يشير إلى زيادة الحساسية لإشارات الضوء الضرورية للإعداد، أو إعادة ضبط الساعة البيولوجية.

تشير هذه النتائج للمؤلفين إلى أن Tenm3 يساعد على ربط الدماغ بالحفاظ على إيقاعات الساعة البيولوجية المستقرة حتى عندما يكون التعرض للضوء متغيرًا. يقول حتر، إنه من خلال معرفة المزيد عن هذا النظام ودور Tenm3، قد يتمكن الباحثون في النهاية من تشخيص وعلاج مواطن الخلل التي تؤدي إلى الأرق واضطرابات النوم الأخرى لدى الأشخاص، أو ربما تطوير علاجات لاضطراب الرحلات الجوية الطويلة.

وهناك آثار واضحة للغاية على صحة الإنسان.