מחקר מגלה את השפעת האור על חילוף החומרים מעבר למקצבים הצירקדיים

בפרספקטיבה שפורסם לאחרונה בכתב העת מטבוליזם של הטבעחוקרים סינים דנו בראיות ממחקרים עדכניים על ההשפעה הלא קצבית של מניעת אור או חשיפה על פעילויות מטבוליות כגון תרמוגנזה או הומאוסטזיס של גלוקוז באופן שאינו תלוי בשעון הצירקדי.

פרספקטיבה: ויסות אור בלתי תלוי ביממה של חילוף החומרים של יונקים. קרדיט תמונה: vetre / Shutterstock

קבלת תמונות

אור השמש הוא מקור האנרגיה המניע את רוב המערכות האקולוגיות, כאשר יצרנים ראשוניים או אוטוטרופים קוטפים את האנרגיה מהאור כדי לייצר את הביומסה שמזינה את רוב ההטרוטרופים. יתר על כן, בעוד שבעלי חיים אינם קוטפים ישירות את האנרגיה מהאור, קולטני הפוטו המבטאים אופסינים בכרומופורים וברקמות ההיקפיות עוזרים להם לחוש אור, שפועל כרמז סביבתי לתפקודים ביולוגיים שונים.

מערכות יונקים תלויות במידה רבה בעין, המכילה אופסינים של מוט וחרוט, כדי לתפוס אור. עם זאת, תצפיות של זיהוי אור בבעלי חיים שאין להם אופקי מוט וחרוט פונקציונליים הובילו לזיהוי של תאי גנגליון רשתית (ipRGCs) בעלי רגישות לאור באופן מהותי. באמצעות מלנופסין לא חזותי, חיישן אור קדמוני ושמור מבחינה אבולוציונית, ipRGCs מווסתים תהליכים כמו ויסות מצב רוח ורפלקסים אישונים.

בעוד ipRGCs מעורבים בקביעת הקצב הצירקדי דרך הגרעין העל-כיאסמטי של ההיפותלמוס, מחקרים עדכניים הראו ש- ipRGCs מעורבים גם בהעברת אותות פוטיים לחלקים אחרים של המוח כגון האמיגדלה המרכזית והגרעין הסופראופטי. מסלולים אלו, ללא תלות בגרעין העל-כיאסמטי של ההיפותלמוס, ידועים כמתווכים מגוון רחב של תפקודים שאינם צירקדיים, מהתפתחות המוח ועד הומאוסטזיס של גלוקוז.

אור בלילה

מקצבי היממה תלויים במחזורי יום ולילה של 24 שעות, וחשיפה לאור מלאכותי בלילה משבשת תכונות פיזיולוגיות שונות, חלקן קצביות, כגון חילוף חומרים, ויסות חום, שינה ותנועה. עדויות מאנשים העובדים במשמרות ערב או לילה מראות שאור הוא הגורם הסביבתי השולט הקובע פעילויות קצביות אנדוגניות.

למרות שהתיווך של photoentrainment על ידי הגרעין העל-כיאסמטי של ההיפותלמוס אינו מובן לחלוטין, מחקרים קיימים מצביעים על כך ששני המסלולים הפוטנציאליים שדרכם ההיפותלמוס מעביר מידע צירקדי לרקמות ההיקפיות הם באמצעות הפרשת הורמונים כגון מלטונין ומערכת העצבים האוטונומית. .

עם זאת, בעוד שפוטו-אנטריין תלוי בחשיפה קצבית לאור ומחזורי יום, ניתן להשתמש בניסויים הכוללים חשיפה לאור מלאכותי בלילה גם כדי להבין את ההשפעות של חשיפה לאור מלבד אלו המווסתות על ידי השעון הצירקדי.

רגולציה לא צירקדית באמצעות ipRGCs

מחקרים המשתמשים במודלים של עכברים הראו שגם בהיעדר מלטונין, חשיפה לאור מלאכותי בלילה גורמת לשינויים פליאוטרופיים בתהליכים מטבוליים כגון הפרשת קורטיקוסטרון, סבילות לגלוקוז, גלוקונאוגנזה, ויסות טמפרטורת הליבה, צריכת מזון ותנועה. מאמינים שחלק מהתהליכים הללו מתווכים באמצעות תחזיות היפותלמוס לגרעין הפרה-חדרי של ההיפותלמוס, שהוא המרכז הנוירואנדוקריני.

מחקרי מעקב נגיפיים במכרסמים הראו גם ש-ipRGCs מעצברים אזורים אחרים במוח, כגון הגרעין העל-אופטי והאזור הפרה-אופטי של ההיפותלמוס, המתווכים את התפתחות המוח ושינה שאינה מהירה בתנועת עיניים, בהתאמה, באמצעות תהליכים נוירואנדוקריניים ללא תלות ב גרעין סופרכיאסמטי של ההיפותלמוס.

באמצעות חשיפה חריפה לאור כחול, הגרעין העל-אופטי מעורב גם בעיכוב הרגולציה הסימפתטית של רקמת השומן החומה, תהליך חיוני לחילוף חומרים מערכתי ולהוצאה אנרגטית. כתוצאה מכך, התרמוגנזה הנגרמת על ידי גלוקוז מדוכאת, והסבילות לגלוקוז נפגעת, מה שעשוי להסביר את הקשר השלילי בין חשיפה לאור בלילה לבין סוכרת.

מסלולי תפיסת אור בלתי תלויים ב-ipRGC

אופסינים נמצאים גם באזורים מחוץ לעין, כמו נוירופסין שאינו חזותי, המתבטא באזור הפרה-אופטי של ההיפותלמוס. מחקרים המשתמשים במודלים של עכברים מצאו כי נוירופסין רגיש לאור באורך גל קצר ומווסת תרמוגנזה הכוללת רקמת שומן חומה. ממצאים אלה מצביעים גם על שימוש פוטנציאלי בפוטותרפיה לטיפול בהשמנה והפרעות מטבוליות אחרות.

אופסינים שונים אחרים מתבטאים באיברים וברקמות היקפיות בעכברים ובבני אדם, מה שמצביע על כך שתפיסת אור יכולה להתרחש גם דרך רקמות היקפיות. העור הוא דוגמה מצוינת, המגיב לאור אולטרה סגול באמצעות מלנוגנזה.

מחקרים על עכברים מצאו גם רקמת שומן המסוגלת לקלוט פוטו, כאשר פנופסין או אנצפלופסין מתווך תרמוגנזה אדפטיבית ברקמת שומן חומה וליפוליזה ברקמת שומן לבנה.

מסקנות

בסך הכל, המאמר הציג דיון מפורט על ההשפעה של חשיפה לאור או שלילת אור על תהליכים מטבוליים שונים במערכות יונקים דרך מסלולים שאינם צירקדיים. מסלולים אלו כללו מסלולים מבוססי מלנופסין הכוללים את הגרעין העל-כיאסמטי של ההיפותלמוס וכאלה שבהם אופסינים שאינם חזותיים שהתבטאו ברקמות היקפיות זוגו ישירות לוויסות תהליכים מטבוליים כגון תרמוגנזה, צריכת מזון, מטבוליזם של גלוקוז ומלנוגנזה.