Universeel mechanisme achter dag-nachtritme

De toestand waarin het enzym peroxiredoxine zich bevindt, is onderdeel van een universeel mechanisme voor 24-uurs ritmiek in alle levensvormen. Het is voor het eerst dat een dag-nachtritmesysteem is gevonden dat in vrijwel alle organismen aanwezig is. Deze ontdekking deden onderzoeker Maria Olmedo en hoogleraar moleculaire chronobiologie Martha Merrow van de Rijksuniversiteit Groningen samen met wetenschappers uit Groot-Brittannië en de Verenigde Staten. De bevindingen verschenen 16 mei 2012 online in het tijdschrift Nature.

Bijna alle levende cellen vertonen een ritme van ongeveer 24 uur, een circadiaan ritme. Aangenomen wordt dat het dag-nachtritme dateert van het begin van het leven; dag en nacht hebben immers altijd bestaan. In verschillende organismen zijn mechanismen gevonden die bijdragen aan dat ritme: klokgenen. Deze kloksystemen bleken tot nu toe echter uniek voor de desbetreffende tak van organismen.

Met het peroxiredoxine-enzym leggen de onderzoekers een systeem bloot dat veel verder teruggaat in de evolutie van circadiane ritmiek. De wetenschappers onderzochten vertegenwoordigers van alle hoofdgroepen van organismen: muizen, planten (zandraket, Arabidopsis thaliana), fruitvliegen (Drosophila melanogaster), prokaryoten (Synechococcus elongatus en Halobacterium salinarum). De Groningse onderzoekers voerden onderzoek uit aan de filamenteuze schimmel Neurospora crassa.

Peroxiredoxine

Het enzym peroxiredoxine vervult met zijn antioxidantwerking een belangrijke rol in de bescherming van een cel; het neutraliseert vrije radicalen die het DNA van een cel beschadigen en celveroudering versnellen. De enzymactiviteit is afhankelijk van de oxidatieve staat waarin het enzym zich bevindt. Olmedo onderzocht deze oxidatieve toestand van het peroxiredoxine-enzym in Neurospora crassa door de schimmel te laten groeien onder volledig donkere condities. Evenals haar collega’s die werkten aan andere organismen, vond Olmedo een 24-uurs patroon, met oxidatiepieken overdag.

Evolutie

Dat juist een enzym met antioxidantwerking naar voren komt als onderdeel van universeel mechanisme is volgens Olmedo geen verrassing. ‘Ongeveer 2,5 miljard jaar geleden steeg de hoeveelheid zuurstof in de lucht explosief,’ legt ze uit. Dat was een gevolg van bacteriën die fotosynthese uitvoerden en staat bekend als de Great Oxidation Event. ‘Organismen die zuurstof konden gebruiken voor hun metabolisme, waren in het voordeel. Maar bij de verademing van zuurstof ontstaan vrije radicalen. Metabolisme is vaak gekoppeld aan het dag-nachtritme. Wij suggereren dan ook dat organismen die op dat vaste ritme konden inspelen evolutionair voordeel gehad hebben. Zij konden de schade die zuurstofgebruik met zich meebracht, efficiënter herstellen en hun fysiologie daarop aanpassen. Waarschijnlijk is peroxiredoxine-activiteit een van de uitingen van zo’n  basaal mechanisme.’

Gemeenschappelijke oorsprong

Wetenschappers verschillen van mening over de vraag of ‘kloksystemen’ in verschillende domeinen van leven onafhankelijk van elkaar zijn geëvolueerd of een gemeenschappelijke voorouder hebben. De onderzoeksresultaten leveren een belangrijke bijdrage aan deze discussie, zegt Olmedo: ‘Het ontbreken van een universeel circadiaan systeem pleitte voor afzonderlijke evolutie. Echter onze resultaten maken het aannemelijk dat cellulaire ritmiek juist een gemeenschappelijk oorsprong heeft.’

Jetlag

Onderzoek naar de achterliggende mechanismen van circadiane ritmiek staat volop in de schijnwerpers, vertelt Olmedo: ‘Het wordt steeds duidelijker dat verstoring van ons dag-nachtritme, zoals bij een jetlag of nachtdiensten, schadelijk is voor onze gezondheid en daarmee ook kosten voor de gezondheidszorg met zich meebrengt. Het is daarom van belang om de mechanismen achter circadiane ritmiek te ontrafelen.’ Aan de Rijksuniversiteit Groningen vindt dit chronobiologisch onderzoek plaats op zowel gedragsmatig en fysiologisch niveau als op moleculair niveau.

Meer informatie:
Prof. dr. Martha Merrow

Dr. Maria Olmedo, e-mail: maria.olmedo med.uni-muenchen.de

Refentie: Peroxiredoxins are conserved markers of circadian rhythms. Auteurs: Rachel S. Edgar, Edward W. Green, Yuwei Zhao, Gerben van Ooijen, Maria Olmedo, Ximing Qin, Yao Xu, Min Pan, Utham K. Valekunja, Kevin A. Feeney, Elizabeth S. Maywood, Michael H. Hastings, Nitin S. Baliga, Martha Merrow, Andrew J. Millar, Carl H. Johnson, Charalambos P. Kyriacou, John S. O’Neill, Akhilesh B. Reddy. Nature, 16 mei 2012, http://dx.doi.org/10.1038/nature11088