SiNAPSA, Thursday, 21. November 2024

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Naslovnica Članki Intervjuji Mnenja Zdravje Korenine eSinapsa Številke RSS

Ali je zgodnje vstajanje dedno?

Cene Skubic, Laura Plavc, Damjana Rozman, Leja Dolenc Grošelj

Cirkadiani ritmi, notranje biološke ure, uravnavajo številne telesne procese, vključno z vzorci spanja in budnosti. V primeru cirkadianih motenj spanja, kot sta motnja prehitevanja faze spanja (angl. Advanced Sleep Phase Disorder, ASPD) in motnja zakasnjene faze spanja (angl. Delayed Sleep Phase Disorder, DSPD), prihaja do premikov v začetku in trajanju spanja, kar lahko vodi v resne zdravstvene težave. Cirkadiane motnje spanja so povezane z večjim tveganjem za nevrodegenerativne bolezni, s presnovnimi motnjami in nekaterimi vrstami rakavih obolenj. V literaturi so opisane nekatere dedne oblike cirkadianih motenj spanja, povezane z genetskimi različicami cirkadianih genov, kot so PER2, PER3, CRY1 in CSNK1D. V slovenski populaciji smo opredelili redke genetske različice v genih PER2 in PER3, ki so povezane s klinično sliko cirkadianih motenj spanja. Odkrili smo do sedaj še nepoznano različico v genu PER2 pri družini s sindromom DSPD. Odkritje teh različic odpira vrata za boljšo diagnostiko in obravnavo teh motenj ter nadaljnje mehanistične študije cirkadialnih procesov.

Tabela 1
Slika 1. Shematski prikaz cirkadiane homeostaze. Prirejeno po [^1], slika ustvarjena z BioRender.com. SCN – suprakiazmatično jedro


Biološki ritmi so endogeni procesi, prisotni v skoraj vseh živih vrstah, od cianobakterij do človeka, ki omogočajo prilagoditev organizma dnevnemu ritmu okolja. Cirkadiana ura (iz latinščine circa – okrog in diēm – dan) je endogeni mehanizem, ki glede na zunanje dražljaje, tako imenovane sledilce časa, kot so svetloba, zunanja temperatura, telesna in socialna aktivnost, usklajuje delovanje našega organizma s pogoji, v katerih se nahajamo, ter sinhronizira fiziološke procese, kot so spanje, prebava in hormonsko ravnovesje, z dnevnimi cikli. Anatomsko-biološko uro predstavlja suprakiazmatično jedro (angl. suprachiasmatic nucleus, SCN) v sprednjem delu hipotalamusa, ki preko svetlobno občutljivih ganglijskih celic v retini in retinohipotalamičnega trakta prenaša svetlobne signale iz okolice (Slika 1). Ti signali vplivajo na izražanje genov in tako vzdržujejo s svetlobo uravnavano cirkadiano homeostazo 2. Na molekularni ravni cirkadiano uro tvori sistem transkripcijsko-translacijskih povratnih zank, katerih aktivnost uravnava obsežna kaskada genov (Slika 2). Glavni cirkadiani geni (tj. geni centralne ure), kot so PER, CRY, CLOCK in BMAL1, delujejo v povratnih zankah in ustvarjajo približno 24-urni cikel perifernih ritmovnikov, ki uravnavajo aktivnosti procesov (npr. izločanje hormonov, izražanje genov, presnovne procese, celični cikel, različne celične signalizacije in še mnoge druge) znotraj tkiv in organov 1.

Tabela 1
Slika 2. Molekularne osnove transkripcijsko-translacijske zanke cirkadiane ure. Prirejeno po [^1], slika ustvarjena z BioRender.com.


Izločanje večine hormonov in presnovnih produktov, vključno z glukozo in trigliceridi, je uravnavano cirkadiano. Najočitnejši vedenjski pokazatelj cirkadiane uravnave pri ljudeh se kaže v vzorcu spanja in budnosti ter v naravni težnji k spanju v določenem delu dneva, kar imenujemo kronotip. Kronotip klinično ocenjujemo s cirkadianimi biooznačevalci, kot sta vrh koncentracij kortizola ali melatonina v plazmi ali slini 3 4. Zaradi zahtevnosti teh metod se v praksi največkrat uporabljajo vprašalniki, kot sta vprašalnik jutranjosti-večernosti (VJV) in Münchenski vprašalnik kronotipa, ki ocenjujeta vedenjsko manifestacijo kronotipa na podlagi spalnih navad 5 6.

Ob oceni kronotipa preiskovanca umestimo na spekter dnevne preference, na robovih katerega sta ekstremni jutranji kronotip na eni in ekstremni večerni kronotip na drugi strani. Med ljudmi sicer obstaja naravna variabilnost, večina ljudi pa se uvršča med oba ekstrema, kar označujemo kot vmesni kronotip. Kronotip se med življenjem spreminja, predvsem je značilno nagibanje k večernosti v obdobju pubertete in jutranjosti v obdobju starosti 7 8. Nagibanje k ekstremnemu kronotipu je glede na spol in starost lahko fiziološko, lahko pa kaže na patološko spremenjene notranje ali zunanje dejavnike in s tem motnje utirjenja notranje ure. Na kronotip je mogoče vplivati tudi s signali okolja (npr. svetloba-tema) in vedenjskimi vzorci oziroma spalnimi navadami posameznika. Kronotip je torej lahko lastnost ali stanje, kar dodatno oteži predvsem klinično oceno kronotipa kot lastnosti, saj lahko v točki, ko ga ocenjujemo, kronotip-stanje maskira kronotip-lastnost. Z motnjami cirkadiane ure so povezane številne bolezni človeka, med drugim nevrodegenerativne bolezni, presnovne motnje (npr. hiperglikemija in sladkorna bolezen), nekatera onkološka obolenja 9 10 11 12 13 in več vrst motenj spanja 14. Zaradi vpliva cirkadianih poti na mnoge fiziološke in patološke procese imajo intervencije na tem področju velik terapevtski potencial. Tako imenovana kronoterapija se že uporablja tudi v klinični praksi 15 [ ^16]. Med cirkadiane motnje spanja spadajo motnja prehitevanja faze spanja (ASPD) in motnja zakasnjene faze spanja (DSPD), ne-24-urna motnja spanja (angl. Non-24-hour Sleep-Wake Disorder, N24SWD) ter motnja nerednega spanja in budnosti (angl. Irregular Sleep-Wake Rhythm Disorder, ISWRD). Motnje spanja so lahko trajne (predvsem ASPD in DSPD), periodične (N24SWD), te večinoma najdemo pri slepih ljudeh, in ISWRD ali prehodne, kamor spadata sindrom jet-lag in z izmenskim delom povzročena motnja spanja 17.

V naši raziskavi 14 smo se osredotočili na motnji prehitevanja in zakasnjene faze spanja, ki sta definirani kot motnji spanja, kjer struktura in trajanje spanja navadno nista porušeni. Pri obeh motnjah pa pride do spremenjene točke začetka spanja, ki se začne nekaj ur prej ali kasneje kot pričakovano in želeno. Razlog za to je, da faza spanja ni usklajena z drugimi endogenimi ritmi, pri čemer smo izključili cirkadiane motnje, povzročene z izmenskim delom. DSPD je motnja faze spanja, katere prevalenca je ocenjena na 7 odstotkov v obdobju pubertete in do 3 odstotkov v odrasli dobi. Vendar se ocene prevalence v literaturi močno razlikujejo, saj je motnja pogosto vedenjsko pogojena (neredna spalna rutina) oziroma je klinična slika posledica slabe spalne higiene 18 19. ASPD je redka motnja spanja z ocenjeno prevalenco v odrasli populaciji do 1 odstotka, ki se kaže kot nastop faze spanja v zgodnjih večernih urah in prebujanje v zgodnjih jutranjih urah (navadno od 3.00 dalje) 20 21. Nasprotno od DSPD se ekstremni jutranji kronotip pogosteje pojavlja s starostjo, kar se pripisuje slabšemu delovanju SCN 8 20. Motnji se kažeta z dnevno utrujenostjo in drugimi simptomi, ki nastanejo kot posledica pomanjkanja spanja, kot so motnje razpoloženja in upad kognitivnih sposobnosti 18 19. Gre za redki motnji, katerih etiologija je nepojasnjena, vedno več pa je dokazov, da imajo pomembno vlogo dedni dejavniki, ki so pomembnejši pri ASPD in povzročajo tri tipe družinskega sindroma prehitevanja faze spanja (angl. Familial Advanced Sleep Phase Disorder, FASPD) 22 23 24.

V okviru naše preiskave 14 smo želeli preveriti, ali in v kolikšni meri je genetska etiologija cirkadianih motenj spanj prisotna v populaciji slovenskih bolnikov s klinično sliko spremenjene faze spanja (prehitevanja ali zakasnjenosti). Osredotočili smo se na pet različic DNK v genih PER2, PER3, CRY1 in CSNK1D z jasno povezavo s klinično sliko cirkadianih motenja spanja, pri katerih je bil potrjen družinski vzorec dedovanja. Za detekcijo tarčnih različic smo uporabili metodo sekvenciranja DNK po Sangerju (podrobnosti metod v 14). V raziskavo smo na podlagi anamneze vključili 15 bolnikov z motnjami spanja, od tega 13 z DSPD in 2 z ASPD. Kronotip smo dodatno preverjali še z vprašalnikom VJV in Münchenskim vprašalnikom 5 6. Z obema smo potrdili statistično pomembne razlike v kronotipu med bolniki z DSPD napram starostno primerljivi skupini 28 kontrol. Pri obeh bolnikih z ASPD so se prav tako pokazale razlike pri kronotipu, določenem z vprašalniki, vendar statistična obdelava zaradi premajhne skupine ni bila mogoča.

Med 13 testiranimi bolniki s klinično sliko DSPD oziroma ekstremnega večernega kronotipa smo pri eni osebi odkrili prisotnost intronske različice c.1901-218G>T v genu PER2. Gre za izjemno redko različico, katere frekvenca je v evropski populaciji ocenjena na 0,0003 26 in do sedaj še ni bila povezana s klinično sliko. Različica je bila najdena tudi pri enem od staršev preiskovanca, ki smo ga ocenili kot zmerni večerni kronotip, kar nakazuje na dedovanje najdene različice gena PER2 in potrjuje vzročnost najdene različice v patologiji DSPD. Pri redkejši obliki motnje spanja ASPD nam je pri enem od dveh preiskovancev uspelo pokazati prisotnost različic PER3:c.1247A>G in PER3:c.1240C>G. Gre za izjemno redki različici, ki sta v literaturi že bili povezani s klinično sliko družinskega sindroma prehitevanja faze spanja (FASPD) 25. V družini preiskovanca je bilo potrjeno tudi nosilstvo obeh heterozigotnih različic v genu PER3 pri staršu preiskovanca, ki je bil prav tako ocenjen kot ekstremni jutranji kronotip. Različica v PER3 je poleg tega, da pojasnjuje etiologijo redkega družinskega sindroma prehitevanja faze spanja, zanimiva tudi zato, ker vloga gena PER3 ni dobro poznana.

V naši študiji smo kot prvi na svetu pokazali, da lahko različica PER2:c.1901-218G>T povzroča dedovani družinski sindrom DSPD oziroma družinsko nagnjenost k DSPD. Študija, izvedena na populaciji slovenskih bolnikov, je razkrila, da so lahko cirkadiane motnje spanja posledica dedovanih različic v genih cirkadiane ure. Prisotnost redkih različic gena PER3 pri enem od dveh preiskovancev s klinično sliko ASPD, ki sta bila vključena v našo preiskavo, kaže, da je dedna etiologija takšne motnje pomembna, zato predlagamo, da se genotipizacija cirkadianih genov vključi v obravnavo pacientov s primerno klinično sliko. Kljub temu da pojasnitev etiologije v tem primeru zaenkrat ne pomeni tudi spremembe zdravljenja, lahko ključno vpliva na kakovost življenja posameznika z boleznijo in lahko pojasni tudi morebitno neuspešnost standardne terapije. Motnje spanja so namreč za bolnika zelo obremenjujoče, pri motnjah razporeditve spanja in budnosti pa je ob nejasni etiologiji še posebno izrazita stigma, da gre zgolj za slabo higieno spanja in nediscipliniranost bolnika. Glede na izjemno redkost vseh odkritih različic se zdi smiselno tudi klinično sledenje pacientov z najdenimi različicami in dolgoročno vrednotenje vpletenosti različic v morebitne dodatne zdravstvene težave. Takšno sledenje lahko, podobno kot funkcionalne preiskave novoodkrite različice, pomembno prispeva k poznavanju cirkadianih ritmov, motenj v njihovem delovanju in posledičnega nastanka bolezni zaradi cirkadianih motenj.

    ___

  1. Hastings, M. H., Maywood, E. S. & Brancaccio, M. Generation of circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus. Nat. Rev. Neurosci. 19, 453–469 (2018). ↩

  2. Fu, L. & Lee, C. C. The circadian clock: pacemaker and tumour suppressor. Nat. Rev. Cancer 3, 350–361 (2003). ↩

  3. Pandi-Perumal, S. R. et al. Dim light melatonin onset (DLMO): A tool for the analysis of circadian phase in human sleep and chronobiological disorders. Prog. Neuropsychopharmacol. Biol. Psychiatry 31, 1–11 (2007). ↩

  4. Kudielka, B. M., Federenko, I. S., Hellhammer, D. H. & Wüst, S. Morningness and eveningness: The free cortisol rise after awakening in “early birds” and “night owls”. Biol. Psychol. 72, 141–146 (2006). ↩

  5. Roenneberg, Pilz, Zerbini & Winnebeck. Chronotype and Social Jetlag: A (Self-) Critical Review. Biology 8, 54 (2019). ↩

  6. Treven Pišljar, N., Štukovnik, V., Zager Kocjan, G. & Dolenc-Groselj, L. Validity and reliability of the Slovene version of the Morningness-Eveningness Questionnaire. Chronobiol. Int. 36, 1409–1417 (2019). ↩

  7. von Schantz, M. Natural Variation in Human Clocks. in Advances in Genetics vol. 99 73–96 (Elsevier Inc., 2017). ↩

  8. Roenneberg, T. et al. Epidemiology of the human circadian clock. Sleep Med. Rev. 11, 429–438 (2007). ↩

  9. Kanki, M. et al. Poor sleep and shift work associate with increased blood pressure and inflammation in UK Biobank participants. Nat. Commun. 14, 1–15 (2023). ↩

  10. Rathor, P. & Ch, R. Metabolic Basis of Circadian Dysfunction in Parkinson’s Disease. Biology 12, 1–24 (2023). ↩

  11. Lee, C. H., Murrell, C. E., Chu, A. & Pan, X. Circadian Regulation of Apolipoproteins in the Brain: Implications in Lipid Metabolism and Disease. Int. J. Mol. Sci. 24, (2023). ↩

  12. Munteanu, C. et al. The Relationship between Circadian Rhythm and Cancer Disease. Int. J. Mol. Sci. 25, (2024). ↩

  13. Kovač, U., Skubic, C., Bohinc, L., Rozman, D. & Režen, T. Oxysterols and Gastrointestinal Cancers Around the Clock. Front. Endocrinol. 10, (2019). ↩

  14. Plavc, L., Skubic, C., Dolenc Grošelj, L. & Rozman, D. Variants in the circadian clock genes PER2 and PER3 associate with familial sleep phase disorders. Chronobiol. Int. 41, 757–766 (2024). ↩

  15. Dallmann, R., Okyar, A. & Lévi, F. Dosing-Time Makes the Poison: Circadian Regulation and Pharmacotherapy. Trends in Molecular Medicine vol. 22 430–445 Preprint at https://doi.org/10.1016/j.molmed.2016.03.004 (2016). ↩

  16. Auger, R. R. et al. Clinical Practice Guideline for the Treatment of Intrinsic Circadian Rhythm Sleep-Wake Disorders: Advanced Sleep-Wake Phase Disorder (ASWPD), Delayed Sleep-Wake Phase Disorder (DSWPD), Non-24-Hour Sleep-Wake Rhythm Disorder (N24SWD), and Irregular Sleep-W. J. Clin. Sleep Med. 11, 1199–1236 (2015). ↩

  17. Paine, S.-J., Fink, J., Gander, P. H. & Warman, G. R. Identifying advanced and delayed sleep phase disorders in the general population: A national survey of New Zealand adults. Chronobiol. Int. 31, 627–636 (2014). ↩

  18. Crowley, S. J., Acebo, C. & Carskadon, M. A. Sleep, circadian rhythms, and delayed phase in adolescence. Sleep Med. 8, 602–612 (2007). ↩

  19. Zisapel, N. Circadian Rhythm Sleep Disorders. CNS Drugs 15, 311–328 (2001). ↩

  20. Ando, K., Kripke, D. F. & Ancoli-Israel, S. Delayed and advanced sleep phase symptoms. Isr. J. Psychiatry Relat. Sci. 39, 11–8 (2002). ↩

  21. Jones, S. E. et al. Genome-wide association analyses of chronotype in 697,828 individuals provides insights into circadian rhythms. Nat. Commun. 10, 343 (2019). ↩

  22. Lane, J. M. et al. Genome-wide association analysis identifies novel loci for chronotype in 100,420 individuals from the UK Biobank. Nat. Commun. 7, 10889 (2016). ↩

  23. Kelly, J. M. & Bianchi, M. T. Mammalian sleep genetics. Neurogenetics vol. 13 287–326 Preprint at https://doi.org/10.1007/s10048-012-0341-x (2012). ↩

  24. Kopanos, C. et al. VarSome: the human genomic variant search engine. Bioinformatics 35, 1978–1980 (2019). ↩

  25. Zhang, L. et al. A PERIOD3 variant causes a circadian phenotype and is associated with a seasonal mood trait. Proc. Natl. Acad. Sci. 113, E1536–E1544 (2016). ↩

Cene Skubic**, Damjana Rozman
Center za funkcijsko genomiko in biočipe,
Inštitut za biokemijo in molekularno genetiko,
Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani

Laura Plavc**
Center za funkcijsko genomiko in biočipe,
Inštitut za biokemijo in molekularno genetiko,
Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani
in
Klinični inštitut za klinično nevrofiziologijo,
Nevrološka klinika,
Univerzitetni klinični center Ljubljana

Leja Dolenc Grošelj
Klinični inštitut za klinično nevrofiziologijo,
Nevrološka klinika,
Univerzitetni klinični center Ljubljana
in
Katedra za nevrologijo,
Medicinska fakulteta,
Univerza v Ljubljani

**Avtorja sta prispevala enakovredno

Sprejeto: 29.07.2024
Objavljeno: 13.08.2024