Хронобіологія сну та синаптичні ритми організму

Синаптична активність та добові ритми

Відомо, що фосфорилювання білків, зумовлене циркадними біоритмами, є ключовим механізмом часового розподілу періодичності біологічних процесів організму протягом доби. Водночас фосфорилювання окремих білків у тканинах головного мозку корелює з циклами сон — неспання, які, у свою чергу, зумовлені циркадними змінами. Локальні процеси нейронального фосфорилювання відіграють основну роль у регуляції синаптичних функцій, забезпечуючи швидку модуляцію активності протеїнів. Останнє, у свою чергу, дозволяє динамічно масштабувати інтенсивність синаптичної передачі сигналів у відповідь на циркадні ритми чи стимули, зумовлені зміною циклу сон — неспання.

У нещодавно проведеному дослідженні, результати якого представлені хронобіологами медичного факультету Інституту медичної психології Університету Людвіга Максиміліана в Мюнхені (Institute of Medical Psychology, Faculty of Medicine, Ludwig Maximilian University of Munich), Німеччина, а також науковими співробітниками Інституту фармакології та токсикології Цюріхського університету (Institute of Pharmacology and Toxicology, University of Zurich), Швейцарія, було системно обґрунтовано біологічне значення циклу сон — неспання у фосфорилюванні протеїнів синаптичного компартменту для подальшої регуляції ефективності міжнейронної передачі численних функціональних мереж головного мозку. Підсумкові результати дослідження опубліковано у двох статтях у виданні «Science» 11 жовтня 2019 р.

Цикл сон — неспання у часовій регуляції синаптичної активності

Внутрішні біоритми контролюють переважну більшість фізіологічних процесів в організмі, відповідно до щоденних повторюваних змін довкілля, таких як чергування дня та ночі. Молекулярні механізми циркадних ритмів модулюють процеси транскрипції, трансляції та активності білків, впливаючи таким чином на щоденні зміни індивідуальної фізіології та поведінки. Однак донедавна впливи циркадних ритмів та сну на молекулярні механізми у клітинах головного мозку залишалися недостатньо зрозумілими. Авторами нової роботи отримано докази того, що саме цикли сну — неспання відіграють центральну роль у часовій регуляції багатьох аспектів синаптичних функцій.

Для комплексного аналізу ритмів фосфорилювання білків у синаптичному компартменті, які зумовлені циркадними та сонзалежними сигналами, на біохімічному рівні здійснено біохімічну ізоляцію синаптонейросом переднього мозку лабораторних тварин in vivo. У подальшому для оцінки добової динаміки фосфорилювання було застосовано методи кількісної протеоміки на основі мас-спектрометрії. У результаті вченим вдалося дослідити формування синаптичного протеому та фосфопротеому протягом доби, а також оцінити вплив на ці процеси депривації сну. Так, в одному з досліджень було встановлено, що за фізіологічних умов, наближених до природних ритмів життя дослідних тварин, близько 25% з 8000 фосфорилювань синаптичних протеїнів у більшості важливих синапсів коливається, формуючи два основні піки активності: один — напередодні пробудження тварини, другий — безпосередньо перед її засинанням.

Водночас у паралельному дослідженні, проведеному групою вчених Цюріхського університету,  встановлено, що вміст синаптичних білків також зумовлений ритмікою циклічних процесів сну та пробудження. Зокрема, продемонстровано, що синаптична активність виступає тригером циклічного синтезу протеїнів із молекул-месенджерів, ритмічне накопичення яких відбувається протягом дня. Також автори акцентували увагу на процесах переміщення і накопичення молекул-месенджерів у синапсах переважно у відповідь на циркадні коливання, в той час як синтез білків повною мірою залежить від циклів сну та пробудження.

Практичні висновки

Підсумовуючи результати проведеного дослідження, науковці висловили впевненість у тому, що синаптичне фосфорилювання має вирішальне значення в регуляції синаптичних функцій, зокрема на етапах переходу від сну до пробудження. Натомість автори наголосили на негативній ролі депривації сну, яка сприяє майже абсолютній руйнації природних індивідуальних ритмів фосфорилювання синаптичних білків. Основне клінічне значення експериментальної роботи вчені вбачають в отриманні переконливих доказів того, що ключові синаптичні процеси, які контролюють безліч нейрональних мереж, включаючи процеси адаптації до змін та нейропластичності, регулюються у часі динамікою фосфорилювання протеїнів у відповідь на чергування циклів сну та неспання. Загалом же ж, на думку авторів, поглиблене розуміння природної ритміки фосфорилювання синаптичних протеїнів на системному рівні може мати вирішальне значення для оцінки порушень міжнейронної передачі в умовах патології, а отже — і для доказового пояснення ролі біоритмічних змін у розвитку поширених захворювань центральної нервової системи.

• Brüning F., Noya S.B., Bange T. et al. (2019) Sleep-wake cycles drive daily dynamics of synaptic phosphorylation. Science, Oct. 11. DOI: 10.1126/science.aav3617.
• Noya S.B., Colameo D., Brüning F. et al. (2019) The forebrain synaptic transcriptome is organized by clocks, but its proteome is organized by sleep. Science, Oct. 11. DOI: 10.1126/science.aav2642.

Наталія Савельєва-Кулик