Нов математически подход разкри, че някои животински клетки имат стабилни 12-часови цикли на генетична активност, в допълнение към циркадни или 24-часови цикли. Методът, публикуван в списание PLOS ONE, оценява периодичността на данните за генната експресия и сравнява резултатите с тези, получени с други изчислителни методи. За разлика от другите методи, този нов подход показва не само съществуването на неподозирани биологични цикли, но и че 12-часовите цикли работят независимо от 24-часовите цикли, което е потвърдено от лабораторни експерименти. Тези открития отварят нова област на изследване на това как генните функции с течение на времето влияят на здравето и заболяванията.

математиката

"Циркадните ритми са физически, умствени и поведенчески промени, които следват 24-часов цикъл, задвижван от светлината и тъмнината на околната среда. Един от най-известните циркадни цикли е да спите през нощта и да сте будни през деня", каза авторът-кореспондент д-р Clifford C Dacso, професор по молекулярна и клетъчна биология и член на Всеобхватния център за рак на Dan L Duncan в Медицинския колеж Baylor. „Тези биологични ритми отразяват сложни взаимодействия на молекулярно ниво, които се срещат сред пътищата, посредничащи за експресията на гени в активни протеини, носещи функции в клетката.

Има доказателства обаче, че в допълнение към 24-часовите ритми съществуват и други биологични цикли. Кръвното налягане, телесната температура, когнитивните показатели, някои циркулиращи хормони, реакцията на стрес и отговорите на лекарствената терапия, изглежда, следват 12-часов ритъм, но малко се знае за биологичната основа на това. Дачо и колегите му се заеха да намерят отговори.

„Решихме, че трябва да приложим безпристрастен математически подход, различен от използваните от другите групи“, каза Дачо. Той се свърза с колеги от катедрата по електротехника и компютърна техника в университета Райс и те го насочиха към д-р Атанасиос Антолас, професор в този отдел, който също е сътрудник в обществото на Макс-Планк в Германия.

Антолас е математик и инженер с опит в обработката на цифрови сигнали като електронни вълни. Той е разработил нов математически инструмент, наречен метод на матричен молив, който му позволява да разкрива честоти от много шумни цифрови данни.

"Други математически методи се обърнаха към този тип проблеми, като попитаха, съществува ли специфична форма на вълната в данните? Те вече бяха пристрастни да намерят определен тип вълна", каза Антолас, който е първият автор на статията, както и спомагател професор по молекулярна и клетъчна биология в Baylor. „От друга страна, методът, който предложихме, зададе безпристрастен въпрос; какъв тип вълна присъства в данните, ако има такива?“

Когато математиката отговаря на биологията

Изследователите прилагат математическия метод, който Antoulas използва за анализ на електронни цифрови сигнали, за да анализира биологичен феномен, по-специално данни за генната експресия, които се събират на всеки час в продължение на 36 часа. Изследователите са анализирали над 18 000 гена на черен дроб на мишки, участващи в различни клетъчни процеси, включително метаболизъм, клетъчен стрес, клетъчен цикъл и клетъчно дишане.

"Нашият метод разкри основни цикли, налични във всеки набор от данни, събрани за всеки ген", каза Антолас. „Потвърдихме 24-часовите циркадни цикли и откритите гени, чиято експресия след време следваше 12-часов цикъл, който не беше очевиден при използване на други изчислителни методи.“

"Разгледахме по-отблизо 12- и 24-часовите цикли", каза Дачо. "Методът с матричен молив разкри, че тези цикли са независими и това е потвърдено от лабораторни експерименти, показващи, че нокаутирането на гени, които следват 24-часов цикъл, не влияе върху модела на експресия на 12-часовите гени."

„Разглеждайки функцията на гените с течение на времето, за разлика от един момент, ние открихме, че основните клетъчни функции, като възпаление, реакция на стрес, контрол на качеството на протеините и снабдяване с енергия, следват определени цикли“, каза Dacso. "Тази констатация има огромно значение за предефинирането на аспекти на човешкото здраве, контролирано от гени."

"Ние и други показахме, че нарушаването на денонощните часовници може да доведе до заболявания на метаболизма", каза съавторът д-р Берт О'Мали, канцлер и професор по молекулярна и клетъчна биология и Томас К. Томпсън, председател по клетъчна биология в Медицински колеж Бейлор. "Например, експериментални доказателства показват, че работниците в нощни смени, които периодично сменят нощната и дневната смяна или хората, които пътуват в чужбина, често променят цикъла си на сън и това изглежда ги прави склонни да наддават на тегло и да развият диабет и други промени в метаболизма, които може да доведе до заболяване. Не е добра идея да нарушавате циркадния ритъм редовно. Предполагаме, че нарушаването на останалите цикли може също да повлияе на здравето и болестите. "