KAIST-ovi matematiki in njihovi sodelavci na Univerzi Florida State so ugotovili, kako staranje in bolezni, kot sta demenca in debelost, povzročajo motnje spanja. Kombinacija matematičnega modeliranja in eksperimentov je pokazala, da citoplazemski zastoj, ki ga povzročajo staranje, demenca in / ali debelost, zmotijo cirkadiani ritem v človeškem telesu in vodijo v neredne cikle spanja in budnosti.
Urniki spanja in budnosti v skladu s cirkadianimi ritmi
Pri ljudeh so urniki spanja in budnosti v skladu s cirkadianimi ritmi, ki jih ureja notranji sistem za merjenje časa. Telesu z ustvarjanjem beljakovin, imenovanih PERIOD (PER) sporoča, kdaj naj počiva. Količina beljakovin PER se v eni polovici dneva povečuje, v drugi pa zmanjšuje. Najprej se nekaj ur kopiči v citoplazmi, potem pa naenkrat in v celoti vstopi v celico. To zavre transkripcijo genov, ki regulirajo izločanje hormonov in nevrotransmiterjev, vpletenih v spanje (na primer melatonina). Melatonin nastaja v češeriki (epifizi) – žlezi z notranjim izločanjem, ki leži v zadnjem delu velikim možganov.
Gibanje molekul motijo številni procesi
Vse do danes pa ni bilo jasno, kako lahko na tisoče molekul PER hkrati vstopi v celično jedro. Celično okolje je namreč izjemno zapleteno, gibanje molekul prehod PER pa motijo številni procesi, ki se sicer dogajajo v celici. Za primerjavo: gre za nekaj podobnega, kot da bi na tisoče ljudi v poslovno stavbo skozi ena vrata vstopilo istočasno.
Opisali gibanje molekul PER v celicah
Skupina raziskovalcev, ki jo je vodil profesor Jae Kyoung Kim z Oddelka za matematične znanosti KAIST, je skrivnost razrešila z razvojem prostorsko-časovnega in verjetnostnega modela, ki opisuje gibanje molekul PER v celičnem okolju. Študija je bila izvedena v sodelovanju s skupino profesorja Choogona Leeja iz Univerze Florida, kjer so poskrbeli za empirično izvedbo poskusov. Rezultate so prejšnji mesec objavili v zborniku Ameriške nacionalne akademije znanosti (PNAS). Raziskovalci so s stohastičnim modelom opisali gibanje molekul PER v celicah in dokazali, da morajo biti molekule PER dovolj zgoščene okoli celičnega jedra, da se hkrati fosforilirajo in skupaj vstopijo v celično jedro. Zahvaljujoč temu stikalu za sinhronizacijo fosforilacije jih lahko tisoče vstopi hkrati in ohranja stabilne cirkadiane ritme.
Preobremenjenost citoplazme
Kadar pa staranje in / ali bolezni, vključno z demenco in debelostjo, povzročijo preobremenjenost citoplazme s povečanimi citoplazemskimi ovirami, kot so beljakovinski agregati in maščobne vakuole. To ovira pravočasno kondenzacijo molekul PER okoli celičnega jedra. Kot rezultat stikalo za sinhronizacijo fosforilacije ne deluje. Proteini PER vstopajo v jedro ob nepravih časih – zaradi česar so cikli spanja in budnosti nestabilni, pojasnjujejo raziskovalci.
Raziskavo v celoti najdete TUKAJ.
