DOI: https://doi.org/10.22263/2312-4156.2022.5.33
О.В. Белявский, Е.С. Пашинская, В.В. Побяржин
Роль циркадной системы в поддержании гомеостаза организма млекопитающих (обзор литературы)
Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет, г. Витебск, Республика Беларусь
Вестник ВГМУ. – 2022. – Том 21, №5. – С. 33-44.
Резюме.
Одним из самых значимых факторов, влияющих на жизнь в условиях нашей планеты, является циклическая смена дня и ночи. Для успешной адаптации и выживания в окружающей среде у самых разных существ, от одноклеточных до млекопитающих, выработались механизмы синхронизации с внешними условиями для управления функциями организма в соответствии с ежедневными изменениями освещенности и температуры во внешней среде. Это привело к возникновению ритмов в регуляции физиологических процессов, которые были названы циркадными ритмами. У животных эти ритмы проявляются прежде всего в работе нервной и эндокринной систем, обеспечивая регуляцию поведения и внутренней среды. В основе циркадной регуляции лежит работа циркадных часов в супрахиазматическом ядре гипоталамуса. Супрахиазматическое ядро имеет связи со множеством структур ЦНС, что обеспечивает четкие и устойчивые ритмы регуляторных процессов в организме. Периферические ткани также имеют клеточные циркадные часы, которые синхронизируются с главными часами в супрахиазматическом ядре. Циркадная система обеспечивает адекватную регуляцию организма без синхронизации с внешними условиями, однако она уязвима по отношению к различным факторам.
Ключевые слова: циркадные ритмы, циркадные часы, сон, бодрствование, супрахиазматическое ядро.
Литература
1. Kondo, T. A. Cyanobacterial Circadian Clock Based on the Kai Oscillator / T. Kondo // Cold. Spring Harbor. Symp. Quant. Biol. 2007. Vol. 72. P. 47–55.
2. Adrenal clocks and the role of adrenal hormones in the regulation of circadian physiology / A. Leliavski [et al.] // J. Biol. Rhythms. 2015 Feb. Vol. 30, N 1. P. 20–34.
3. Patke, A. Molecular mechanisms and physiological importance of circadian rhythms / A. Patke, M. W. Young, S. Axelrod // Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2020 Feb. Vol. 21, N 2. P. 67–84.
4. Scheiermann, C. Circadian control of the immune system / C. Scheiermann, Y. Kunisaki, P. S. Frenette // Nat. Rev. Immunol. 2013 Mar. Vol. 13, N 3. P. 190–198.
5. Thosar, S. S. Role of the circadian system in cardiovascular disease / S. S. Thosar, M. P. Butler, S. A. Shea // J. Clin. Invest. 2018 Jun. Vol. 128, N 6. P. 2157–2167.
6. Haus, E. Chronobiology in the endocrine system / E. Haus // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2007 Aug. Vol. 59, N 9/10. P. 985–1014.
7. Morris, C. J. Circadian system, sleep and endocrinology / C. J. Morris, D. Aeschbach, F. A. Scheer // Mol. Cell. Endocrinol. 2012 Feb. Vol. 349, N 1. P. 91–104.
8. Rosenwasser A. M. Physiology of the mammalian circadian system / A. M. Rosenwasser, F. W. Turek // Principles and Practices of Sleep Medicine / ed. M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement. New York, 2005. P. 363–374.
9. Abrahamson, E. E. Suprachiasmatic nucleus in the mouse: retinal innervation, intrinsic organization and efferent projections / E. E. Abrahamson, R. Y. Moore // Brain Res. 2001 Oct. Vol. 916, N 1/2. P. 172–191.
10. Welsh, D. K. Suprachiasmatic nucleus: cell autonomy and network properties / D. K. Welsh, J. S. Takahashi, S. A. Kay // Annu. Rev. Physiol. 2010. Vol. 72. P. 551–577.
11. Ma, M. A. Neuroanatomy, Nucleus Suprachiasmatic / M. A. Ma, E. H. Morrison // StatPearls [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.statpearls.com/ArticleLibrary/viewarticle/29737. Date of access: 04.10.2022.
12. Circadian Rhythms in Neuroendocrine Systems / D. M. Arble [et al.] // Handbook of Neuroendocrinology / ed. G. Fink, D. W. Pfaff, J. E. Levine. Academic Press, 2012. P. 271–305.
13. Mohawk, J. A. Cell autonomy and synchrony of suprachiasmatic nucleus circadian oscillators / J. A. Mohawk, J. S. Takahashi // Trends Neurosci. 2011 Jul. Vol. 34, N 7. P. 349–358.
14. Rosenwasser, A. M. Neurobiology of Circadian Rhythm Regulation / A. M. Rosenwasser, F. W. Turek // Sleep. Med. Clin. 2015 Dec. Vol. 10, N 4. P. 403–412.
15. Hastings, M. H. Generation of circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus / M. H. Hastings, E. S. Maywood, M. Brancaccio // Nat. Rev. Neurosci. 2018. Vol. 19. P. 453–469.
16. Morin, L. P. Neuroanatomy of the extended circadian rhythm system / L. P. Morin // Exp. Neurol. 2013 May. Vol. 243. P. 4–20.
17. Melanopsin phototransduction: slowly emerging from the dark / S. Hughes [et al.] // Prog. Brain. Res. 2012. Vol. 199. P. 19–40.
18. The NPY intergeniculate leaflet projections to the suprachiasmatic nucleus transmit metabolic conditions / N. Saderi [et al.] // Neuroscience. 2013 Aug. Vol. 246. P. 291–300.
19. Behavioral and serotonergic regulation of circadian rhythms / R. E. Mistlberger [et al.] // Biol. Rhythm. Res. 2000. Vol. 31, N 3. P. 240–283.
20. Ehlen, J. C. In vivo resetting of the hamster circadian clock by 5–HT7 receptors in the suprachiasmatic nucleus / J. C. Ehlen, G. H. Grossman, J. D. Glass // J. Neurosci. 2001 Jul. Vol. 21, N 14. P. 5351–5357.
21. Rosenwasser A. M. Physiology of the mammalian circadian system / A. M. Rosenwasser, F. W. Turek // Principles and practice of sleep medicine / ed. by: M. H. Kryger, T. Rot, W. C. Dement. 5h ed. Elsevier Inc., 2010. P. 390–401.
22. Zisapel, N. New perspectives on the role of melatonin in human sleep, circadian rhythms and their regulation / N. Zisapel // Br. J. Pharmacol. 2018 Aug. Vol. 175, N 16. P. 3190–3199.
23. Vasey, C. Circadian Rhythm Dysregulation and Restoration: The Role of Melatonin / C. Vasey, J. McBride, K. Penta // Nutrients. 2021 Sep. Vol. 13, N 10. 3480.
24. Li, S. B. The hypocretin (orexin) system: from a neural circuitry perspective / S. B. Li, L. de Lecea // Neuropharmacology. 2020 May. Vol. 167. 107993.
25. Circadian and homeostatic regulation of hypocretin in a primate model: implications for the consolidation of wakefulness / J. M. Zeitzer [et al.] // J. Neurosci. 2003 Apr. Vol. 23, N 8. P. 3555–3560.
26. Fu, L. Y. Neuropeptide Y inhibits hypocretin/orexin neurons by multiple presynaptic and postsynaptic mechanisms: tonic depression of the hypothalamic arousal system / L. Y. Fu, C. Acuna-Goycolea, A. N. van den Pol // J. Neurosci. 2004 Oct. Vol. 24, N 40. P. 8741–8751.
27. A circuit perspective on narcolepsy / A. R. Adamantidis [et al.] // Sleep. 2020 May. Vol. 43, N 5. zsz296.
28. España, R. A. Sleep neurobiology from a clinical perspective / R. A. España, T. E. Scammell // Sleep. 2011 Jul. Vol. 34, N 7. P. 845–858.
29. Henny, P. Projections from basal forebrain to prefrontal cortex comprise cholinergic, GABAergic and glutamatergic inputs to pyramidal cells or interneurons / P. Henny, B. E. Jones // Eur. J. Neurosci. 2008 Feb. Vol. 27, N 3. P. 654–670.
30. Locus coeruleus neuronal activity during the sleep-waking cycle in mice / K. Takahashi [et al.] // Neuroscience. 2010 Sep. Vol. 169, N 3. P. 1115–1126.
31. Holst, S. C. Sleep-Wake Neurochemistry / S. C. Holst, H. P. Landolt // Sleep Med. Clin. 2018 Jun. Vol. 13, N 2. P. 137–146.
32. Control of sleep and wakefulness / R. E. Brown [et al.] // Physiol. Rev. 2012 Jul. Vol. 92, N 3. P. 1087–1187.
33. Orexin/hypocretin system modulates amygdala–dependent threat learning through the locus coeruleus / R. M. Sears [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013 Dec. Vol. 110, N 50. P. 20260–20265.
34. Berridge, C. W. The locus coeruleus-noradrenergic system: modulation of behavioral state and state-dependent cognitive processes / C. W. Berridge, B. D. Waterhouse // Brain. Res. Brain. Res. Rev. 2003 Apr. Vol. 42, N 1. P. 33–84.
35. Serotonin neurons in the dorsal raphe nucleus encode reward signals / Y. Li [et al.] // Nat. Commun. 2016 Jun. Vol. 7. 10503.
36. Ablation of Central Serotonergic Neurons Decreased REM Sleep and Attenuated Arousal Response / K. Iwasaki [et al.] // Front Neurosci. 2018 Aug. Vol. 12. P. 535.
37. Sleep state switching / C. B. Saper [et al.] // Neuron. 2010 Dec. Vol. 68, N 6. P. 1023–1042.
38. Claustrat, B. Melatonin: Physiological effects in humans / B. Claustrat, J. Leston // Neurochirurgie. 2015 Apr-Jun. Vol. 61, N 2/3. P. 77–84.
39. Melatonin and Respiratory Diseases: A Review / S. Habtemariam [et al.] // Curr. Top. Med. Chem. 2017. Vol. 17, N 4. P. 467–488.
40. Utilizing melatonin to combat bacterial infections and septic injury / W. Hu [et al.] // Br. J. Pharmacol. 2017 May. Vol. 174, N 9. P. 754–768.
41. Treatment with melatonin induces a reduction of Toxoplasma gondii development in LLC-MK2 cells / N. I. Machado [et al.] // Parasitol. Res. 2020 Aug. Vol. 119, N 8. P. 2703–2711.
42. The role of melatonin in parasite biology / P. Bagnaresi [et al.] // Mol. Biochem. Parasitol. 2012 Jan. Vol. 181, N 1. P. 1–6.
43. Singh, M. K. Role of Melatonin in the Synchronization of Asexual Forms in the Parasite Plasmodium falciparum / M. K. Singh, B. K. M. Dias, C. R. S. Garcia // Biomolecules. 2020 Aug. Vol. 10, N 9. 1243.
44. Obesity and metabolic syndrome in circadian Clock mutant mice / F. W. Turek [et al.] // Science. 2005 May. Vol. 308, N 5724. P. 1043–1045.
45. The genetics of circadian rhythms, sleep and health / A. Jagannath [et al.] // Hum. Mol. Genet. 2017 Oct. Vol. 26, N R2. P. R128–R138.
46. NPAS2 and PER2 are linked to risk factors of the metabolic syndrome / A. Englund [et al.] // J. Circadian. Rhythms. 2009 May. Vol. 7. P. 5.
47. Diurnal and seasonal molecular rhythms in human neocortex and their relation to Alzheimer’s disease / A. S. P. Li [et al.] // Nat. Commun. 2017 Apr. Vol. 8. 14931.
48. Decreased expression of Bmal2 in patients with Parkinson’s disease / H. Ding [et al.] // Neurosci. Lett. 2011 Jul. Vol. 499, N 3. P. 186–188.
49. McCoy, J. G. The cognitive cost of sleep lost / J. G. McCoy, R. E. Strecker // Neurobiol. Learn. Mem. 2011 Nov. Vol. 96, N 4. P. 564 –582.
50. Grandner, M. A. The Cost of Sleep Lost: Implications for Health, Performance, and the Bottom Line / M. A. Grandner // Am. J. Health. Promot. 2018 Sep. Vol. 32, N 7. P. 1629–1634.
51. Shift Work: Disrupted Circadian Rhythms and Sleep-Implications for Health and Well-Being / S. M. James [et al.] // Curr. Sleep. Med. Rep. 2017 Jun. Vol. 3, N 2. P. 104–112.
52. Disruption of Circadian Rhythms: A Crucial Factor in the Etiology of Infertility / F. Sciarra [et al.] // Int. J. Mol. Sci. 2020 May. Vol. 21, N 11. 3943.
53. Saper, C. B. Neural circuitry engaged by prostaglandins during the sickness syndrome / C. B. Saper, A. A. Romanovsky, T. E. Scammell // Nat. Neurosci. 2012 Jul. Vol. 15, N 8. P. 1088–1095.
54. Diurnal transcriptome atlas of a primate across major neural and peripheral tissues / L. S. Mure [et al.] // Science. 2018 Mar. Vol. 359, N 6381. eaao0318.
55. Borrmann, H. The Circadian Clock and Viral Infections / H. Borrmann, J. A. McKeating, X. Zhuang // J. Biol. Rhythms. 2021 Feb. Vol. 36, N 1. P. 9–22.
56. Influenza A virus-dependent remodeling of pulmonary clock function in a mouse model of COPD / I. K. Sundar [et al.] // Sci. Rep. 2015 Apr. Vol. 4. 9927.
57. Effects of simian immunodeficiency virus on the circadian rhythms of body temperature and gross locomotor activity / S. Huitron-Resendiz [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007 Sep. Vol. 104, N 38. P. 15138–15143.
58. Tesoriero, C. Sleep and brain infections / C. Tesoriero, F. Del Gallo, M. Bentivoglio // Brain. Res. Bull. 2019 Feb. Vol. 145. P. 59–74.
Сведения об авторах:
О.В. Белявский – аспирант кафедры инфекционных болезней с курсом ФПК и ПК, Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет,
E mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. – Белявский Олег Викторович;
Е.С. Пашинская – к.б.н., доцент кафедры биологии и фармацевтической ботаники, Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет;
В.В. Побяржин – к.б.н., доцент кафедры биологии и фармацевтической ботаники, Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет.
