A maquinaria central do relógio central conduz a maioria dos ritmos metabólicos

Os relógios hepáticos e musculares estão mediando uma minoria de ritmos metabólicos rítmicos na circulação. (A) Diagrama de Venn representando a sobreposição de metabólitos séricos significativamente oscilantes (JTK, P < 0,05) entre camundongos de tipo selvagem (WT) e Bmal1 knockout (KO). (B) Diagrama de Venn representando a sobreposição entre os metabólitos séricos significativamente oscilantes (JTK, P < 0,05) em camundongos WT, Bmal1 reconstituído pelo fígado (LRE) e Bmal1 reconstituído pelo músculo (MRE). (C) Mapas de calor representando os metabólitos oscilantes sobrepostos entre WT e LRE (mapa de calor esquerdo) ou WT e MRE (mapa de calor direito). (D) Gráficos de radar que ilustram a fase das oscilações metabólicas dos metabólitos sobrepostos entre WT e LRE (gráfico de radar esquerdo) ou WT e MRE (gráfico de radar direito). (E) Gráficos exibindo as amplitudes dos metabólitos sobrepostos entre WT e LRE (gráfico esquerdo) ou WT e MRE (gráfico direito). (F) Enriquecimento da via de metabólitos sobrepostos. Metabólitos significativamente oscilantes dentro da (G) histidina, (H) nicotinato e nicotinamida, e (I) agentes tópicos de drogas apresentados em gráficos. Todas as análises foram realizadas usando n = 4 camundongos. Crédito: Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo2896

A vida na Terra é baseada em ciclos ambientais recorrentes de 24 horas que são geneticamente codificados como relógios moleculares ativos em todos os órgãos dos mamíferos. A comunicação entre esses relógios pode controlar a homeostase circadiana. A coordenação temporal do metabolismo pode então mediar a comunicação entre os tecidos.

Em um novo relatório agora publicado na Science Advances, Paul Petrus e uma equipe de pesquisadores interdisciplinares em epigenética e metabolismo, ciências da saúde, ciência da computação e biomedicina na Universidade da Califórnia, Irvine, EUA, e na Universidade Pompeu Fabra em Barcelona, Espanha, caracterizou o processo pelo qual os relógios em diversos órgãos controlavam os ritmos metabólicos sistemáticos. Essa trajetória é uma área de pesquisa que até agora permanece sendo explorada. A equipe estudou o metaboloma do soro de camundongos com expressão específica do tecido do gene do relógio Bmal1. Os resultados experimentais indicaram que o relógio central regulava os ritmos metabólicos via comportamento. As descobertas destacaram a conexão circadiana entre os tecidos para enfatizar a importância do relógio central que governa os sinais.

Em sincronia com o ciclo da Terra

A Terra gira em um ciclo de 24 horas em torno de seu próprio eixo e a vida adaptou essa característica evolutiva como um relógio molecular geneticamente codificado, conhecido como o mecanismo do relógio central. Cada órgão do corpo dos mamíferos tem um relógio que coopera para regular a homeostase circadiana. A comunicação inter-órgãos é baseada em flutuações metabólicas que consideram a oferta e a demanda de vários tecidos. A base subjacente da coordenação de relógios de tecidos específicos para regular o metabolismo sistemático continua sendo um tópico sendo explorado. Neste trabalho, Petrus e a equipe exploraram como os relógios de tecidos específicos regulavam o metabolismo sistemático, analisando o papel dos relógios locais para impulsionar a forte coerência metabólica temporal existente entre soro, fígado e músculo em um processo que leva até 24 horas para completar e integrar para regular a homeostase circadiana.

Os ritmos metabólicos estão ligados ao mecanismo do relógio central, que compreende um loop de feedback transcricional-traducional que é sincronizado por 24 horas. Para investigar esse mecanismo, a equipe explorou a expressão de Bmal1 específica no tempo em modelos animais de nocaute de genes, onde os genes de interesse foram experimentalmente derrubados para entender o efeito de mecanismos moleculares específicos no relógio central e na regulação do metabolismo.

A maior parte da regulação rítmica dos metabólitos circulantes é conduzida pelo relógio central. (A) Diagrama de Venn representando a sobreposição de metabólitos séricos significativamente oscilantes (JTK, P < 0,05) entre WT, camundongos Bmal1 KO e Bmal1 cérebro-RE (BRE). (B) Mapas de calor representando os metabólitos oscilantes apenas em WT (mapa de calor esquerdo), sobrepondo-se entre WT e BRE (mapa de calor do meio) e apenas em BRE (mapa de calor à direita). (C) Gráficos de radar que ilustram a fase das oscilações metabólicas apenas em WT (gráfico de radar esquerdo), sobreposição entre WT e BRE (gráfico de radar do meio) e apenas em BRE (gráfico de radar direito). (D) Gráfico exibindo as amplitudes dos metabólitos sobrepostos entre WT e BRE. Diferença significativa foi avaliada pelo teste t pareado. (E) A mudança na amplitude dentro de cada via em camundongos BRE em relação ao WT. (F) Enriquecimento da via de metabólitos oscilantes sobrepostos entre WT e BRE. (G) Fase de metabólitos nas principais classes metabólicas oscilantes. *P < 0,05. Todas as análises foram realizadas usando n = 4 camundongos. Crédito: Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo2896

Os experimentos

Durante os experimentos, os pesquisadores sacrificaram camundongos a cada quatro horas dentro de um ciclo diurno de 24 horas e coletaram soro de todas as coortes de camundongos. Eles analisaram o soro usando metabolômica global via espectrometria de massa por cromatografia líquida (LC/MS). Enquanto o tipo selvagem, também conhecido como coorte de camundongos “normais”, mostrou oscilações circadianas significativas detectadas por meio de metabólitos circulantes, as coortes de camundongos knockout Bmal1 perderam a ritmicidade de todos os metabólitos observados no tipo selvagem, exceto para cisteína-S-sulfato. Os resultados confirmaram a importância da expressão de Bimal1 para oscilações em metabólitos circulatórios. Os resultados do estudo reafirmaram como os relógios periféricos locais isoladamente são insuficientes para conduzir a maior parte da produção metabólica circadiana em circulação, destacando ainda mais a dependência da maioria dos metabólitos circulatórios em outros relógios de tecidos ou na comunicação entre os relógios de tecidos.

O relógio central é suficiente para conduzir os ritmos circadianos da transcrição hepática e restaurar a tolerância à glicose. (A) Diagrama de Venn representando a sobreposição de transcritos de fígado significativamente oscilantes (JTK, P <0,01) entre WT, camundongos Bmal1 KO e Bmal1 BRE. (B) Mapas de calor representando as transcrições oscilantes apenas em WT (mapa de calor à esquerda), sobrepondo-se entre WT e BRE (mapa de calor do meio) e apenas em BRE (mapa de calor à direita). (C) Gráficos de radar que ilustram a fase de oscilações transcricionais apenas em WT (gráfico de radar inferior esquerdo), sobrepondo-se entre WT e BRE (gráfico de radar superior) e apenas em BRE (gráfico de radar inferior direito). (D) Gráfico exibindo as amplitudes das transcrições oscilantes sobrepostas entre WT e BRE. Diferença significativa foi avaliada pelo teste t pareado. (E) Enriquecimento da via de transcritos oscilantes sobrepostos entre camundongos WT e BRE. (F) Teste oral de tolerância à glicose (OGTT) e área calculada sob a curva (AUC) em todos os genótipos apresentados no estudo. Diferenças significativas foram analisadas por uma análise de variância unidirecional (ANOVA) seguida pelo teste post hoc de diferença menos significativa de Fisher. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001 e ****P < 0,0001. Todas as análises foram realizadas usando pelo menos n = 3 camundongos. Crédito: Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo2896

Relógios cerebrais

Os ritmos metabólicos geralmente prosperam na ingestão de alimentos ou nas reservas de energia dentro do corpo. O comportamento alimentar rítmico é, portanto, um determinante das oscilações metabólicas sistêmicas. Os ritmos comportamentais geralmente são regulados pelo relógio central do núcleo supraquiasmático, dentro do qual o marcapasso circadiano central está localizado e expressa altamente o gene Syt10. A eliminação de Bmal1 em neurônios que expressam Syt10 resultou em comportamento arrítmico em camundongos colocados em escuridão constante. Após mais experimentos, a equipe restaurou a expressão de Bmal1 nos neurônios Syt10 para entender se o processo restaurou os ritmos comportamentais relativos à atividade locomotora, metabolismo e comportamento alimentar quando comparados aos modelos animais do tipo selvagem e nocaute. Os cientistas notaram o peso corporal parcialmente resgatado para os camundongos, incluindo atividade total, ingestão de alimentos e adiposidade como tendências para um resgate. Os ritmos circadianos relativos ao comportamento e metabolismo também foram parcialmente restaurados. A restauração parcial enfatizou a necessidade de relógios em outros tipos de células do cérebro para a restauração completa dos ritmos comportamentais. Os dados também sugeriram a influência do relógio central para impulsionar a maioria dos ritmos metabólicos circulantes circadianos, enquanto a fase e a amplitude exigiam regulação adicional por meio de outros relógios.

Metabolismo e o relógio central

Os pesquisadores estudaram ainda mais o grau em que o relógio central poderia regular as oscilações transcricionais na ausência de relógios periféricos, por meio de estudos de sequenciamento de RNA por mais de 24 horas. Alguns mecanismos parecem ser regulados via metabolismo sistêmico, independente da maquinaria do relógio central. Eles mostraram ainda como o metabolismo da glicose dependia do sistema circadiano, enquanto a homeostase sistêmica da glicose regulava os relógios em vários órgãos. Os resultados enfatizaram a importância de regular a homeostase da glicose e até forneceram evidências de como o trabalho em turnos está relacionado ao diabetes. A equipe também estudou o processo pelo qual o relógio central regulava o metabolismo sistêmico. Os resultados mostraram como o ritmo metabólico circulante de mais de 56% dos camundongos Bmal1-kcnockout poderia ser resgatado estabelecendo um ritmo de alimentação.

As oscilações dos metabólitos séricos são principalmente impulsionadas pelos ritmos de alimentação. (A) Diagrama de Venn representando a sobreposição de metabólitos hepáticos significativamente oscilantes (JTK, P <0,05) e transcritos (JTK, P <0,01) entre camundongos WT e Bmal1 KO submetidos a NF. Estas são análises ad hoc por conjuntos de dados publicamente disponíveis de nosso artigo anterior. (B) Diagrama de Venn representando a sobreposição de metabólitos séricos significativamente oscilantes (JTK, P < 0,05) entre camundongos WT e Bmal1 KO submetidos a NF. (C) Comparação da proporção de metabólitos e transcritos reconstituídos ao reintroduzir o relógio no SCN ou NF. (D) Mapas de calor representando as transcrições oscilantes em WT NF apenas (mapa de calor esquerdo), sobrepondo-se entre WT NF e KO NF (mapa de calor do meio) e apenas em KO NF (mapa de calor direito). (E) Gráficos de radar que ilustram a fase de oscilações metabólicas circulatórias em WT NF apenas (gráfico de radar esquerdo), sobrepondo-se entre WT NF e KO NF (gráfico de radar do meio) e em KO NF apenas (gráfico de radar direito). (F) Gráfico exibindo as amplitudes dos metabólitos oscilantes sobrepostos entre WT NF e KO NF. Diferença significativa foi avaliada pelo teste t pareado. (G) Fase de metabólitos nas principais classes metabólicas oscilantes. ***P < 0,001. Todas as análises foram realizadas usando n = 4 camundongos. Crédito: Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo2896

Panorama

Desta forma, Paul Petrus e colegas dissecaram os complexos mecanismos de comunicação circadiana entre órgãos. Eles mostraram como o relógio central conduzia os ritmos sistêmicos em grande parte regulando os ritmos de alimentação e jejum. O trabalho enfatizou a alimentação como um importante fator de sincronização que contribui para o papel do núcleo supraquiasmático como marca-passo mestre. O trabalho apresenta o relógio central central como condutor dos ritmos metabólicos sistêmicos. Trabalhos futuros lançarão luz sobre a interpretação de relógios periféricos para implementar em terapias clínicas para tratar ritmos circadianos interrompidos.

Publicado em 30/07/2022 09h11

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