Jokaisen solusi sisällä tikittää biologinen kello. Se ei halua siirtyä - etenkään taakse.

TEKSTI:Juha Laurén


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Jokaisen solusi sisällä tikittää biologinen kello. Se ei halua siirtyä - etenkään taakse.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

1/2001.

Jos lennät New Yorkista Helsinkiin, matka kestää noin kahdeksan tuntia. Koska ylität samalla monta aikavyöhykettä, sinulta "katoaa" seitsemän tuntia. Esimerkiksi kello 17.50 paikallista aikaa lähtenyt Finnairin lento AY006 tulee Suomen ajan mukaan perille vasta seuraavana aamuna kello 8.50. Todennäköisesti et selviä tästä pelkällä rannekellon säädöllä.

Ehkä pyrit heti palaamaan Suomen vuorokausirytmiin. Aamupäivä työssä menee kuitenkin päämäärättömästi papereita selaillen, sillä sisäinen kellosi tikittää New Yorkin aikaa, jonka mukaan on aamuyö. Illalla pyörit vuoteessasi, sillä elimistösi mukaan on vasta iltapäivä.

Joillekin rytminvaihdos tuntuu olevan helppoa, mutta toiset kärsivät päiviä tai jopa viikkoja. Aikaerorasitus voi ilmetä unettomuutena, päiväväsymyksenä, vatsavaivoina, ruokahaluttomuutena, päänsärkynä, henkisen suorituskyvyn laskuna, alakuloisuutena tai seksuaalisena haluttomuutena.

Sisäinen kello auttaa ennakoimaan 

Valo ja päivän hälinä eivät siis yksinään riitä säätelemään vireyttäsi. Jokaisen solusi sisällä tikittää biologinen kello, joka mittaa tarkasti ajan kulun.

Sisäisen kellon avulla elimistö pystyy ennakoimaan ympäristön säännöllisiä muutoksia, etenkin päivän ja yön vaihtelua. Rytmisesti vaihtelevia ominaisuuksiamme ovat esimerkiksi vireystila ja ruumiinlämpö mutta myös esimerkiksi useiden geenien aktiivisuus ja solukalvon porttimolekyylien läpäisevyys. Yöeläimillä näiden rytmien ajoitus on päinvastainen kuin ihmisen kaltaisella päiväeläimellä.

Uusimman, vuonna 1999 Science-lehdessä esitetyn arvion mukaan solukellon viisarit tekevät täyden kierroksen 24 tunnissa ja 11 minuutissa. Tätä rytmiä nimitetään sirkadiaaniseksi rytmiksi (lat. circa diem, noin vuorokauden).

Säätö tarvitsee valoa muttei näköä

Vaikka solukellon virhe on vain joitakin minuutteja vuorokaudessa, koneisto ottaa säännöllisesti aikamerkin ulkomaailmasta. Käytännössä auringonvalo, keinovalo ja herätyskello hienosäätävät biologisen kellomme pysymään vuorokauden rytmissä.

Tuntuisi luontevalta, että valon näkeminen tahdistaisi kellon. Näin ei kuitenkaan ole. Esimerkiksi sellaiset hiiret, joiden silmän verkkokalvossa ei ole lainkaan näkemiseen tarvittavia sauva- ja tappisoluja, pystyvät tahdistamaan solukellonsa.

Näköä ei siis tarvita, mutta ainakin nisäkkäät tarvitsevat kuitenkin silmiään kellon ajastamiseen. Kokonaan silmättömien hiirten vuorokausirytmiin ei nimittäin voida vaikuttaa valaistuksella. Valon vaikutus välittyy siis silmästä jollakin näköaistimuksesta riippumattomalla tavalla.

Ei tiedetä, mitkä molekyylit ihmisellä reagoivat valoon, mutta tällä hetkellä vahvimpana ehdokkaana pidetään kryptokromi-nimistä proteiinia. Kryptokromi näet pystyy muuttamaan muotoaan valon vaikutuksesta. Tiedetään myös, että ainakin kasveilla kryptokromi välittää valon laukaisemia toimintoja.

Tieto valosta joka tapauksessa välittyy silmän verkkokalvosta noin 10 000 hermosolun muodostamaan suprakiasmaattiseen tumakkeeseen, joka on osa aivojen hypotalamusta. Tumakkeen soluissa solukello tikittää voimakkaimmin. Tämä ylikello tahdistaa kaikkien muiden elimistön solujen kellot samaan, suprakiasmaattisen tumakkeen määräämään tahtiin.

Samanlainen kello koko eliökunnalla

Solujen kellokoneisto muodostuu muutamista geeneistä, jotka on löydetty ihmisestä vasta viime vuosina. Samankaltaiset geenit ohjaavat biologisen kellon toimintaa myös bakteereissa ja banaanikärpäsessä.

Tämä samanlaisuus osoittaa, että solujen ajanmittausmenetelmät ovat syntyneet evoluutiossa jo hyvin varhain - ehkä jo ensimmäisten yksisoluisten eliöiden aikana. Kello lienee auttanut mikrobeja ennakoimaan esimerkiksi päivän lämmön sallimaa elintoimintojen kiihtymistä.

Kaksi tärkeintä kellogeeniä, period (per) ja timeless (tim), löydettiin jo 1980-luvulla tutkimalla sellaisten banaanikärpästen perimää, joiden vuorokausirytmi oli pahasti pielessä. Näissä kärpäsissä per ja tim eivät toimineet.

Kellogeenit säätelevät toistensa toimintaa esimerkiksi niin, että yhden geenin aktivoituminen vähentää toisen geenin aktiivisuutta. Näin muodostuu solukellon koneistona toimiva heilahteleva eli oskilloiva säätelyjärjestelmä, jonka heilahdus kestää noin vuorokauden.

Solukellojen vaikea lyhentää rytmiään

Moni lentomatkailija on itse kokenut, että vuorokauden pidentämiseen on helpompi tottua kuin sen lyhentämiseen. Esimerkiksi Yhdysvaltoihin matkatessa aikaerorasitus ei iske niin rajuna kuin sieltä palatessa.

Itse asiassa sama ilmiö on nähtävissä suoraan solukelloissa. Tämän osoitti vuonna 2000 tokiolainen Hajime Tei kollegoineen.





Auttaako geenitieto uneen?

Voisiko solukelloa säätämällä hoitaa uni-häiriöitä? Sleep-lehdessä raportoitiin vuonna 1998, että iltavirkuilla ja aamuvirkuilla ihmisillä clock-niminen tärkeä kellogeeni on raken-teeltaan erilainen. Tätä havaintoa ei kuitenkaan ole vielä ehditty varmistaa muissa tutkimuk-sissa.

Periaatteessa kellogeenien rukkaamiseen voitaisiin kehittää täsmälääkkeitä. Kellohoidosta voisi olla hyötyä tietyissä vakavissa sairauk-sissa, joissa potilaiden sisäinen vuorokau-sirytmi ei lainkaan käy yksiin 24 tunnin vuorokauden kanssa.

Valtaosasta unihäiriöitä ei kuitenkaan voitane syyttää viallisia geenejä. Perimmäinen syy löytynee hektisestä elämänmenosta, henki-sestä ylikuormituksesta ja muista kuin kello-geeneihin liittyvistä ruumiillisista häiriöistä.

Kokeita varten hän tuotti siirtogeenisiä rottia, joiden per-kellogeeniin oli yhdistetty valoa loistava lusiferaasi-merkkigeeni. Kellogeenin aktiivisuus näkyi solujen valon kirkkaudesta. Näin hän pystyi seuraamaan, mitä aikaa solukello näytti.


 


Tei altisti siirtogeeniset rotat kuuden tunnin aikaerorasitukselle keinovalon avulla. Sitten hän lopetti rotat ja määritti eri kudosten solukellojen näyttämän ajan.

  siirtyivät tarkalleen uuteen aikaan.

  täysin sekaisin. Sekaisuus jatkui vielä kudosviljelmissä monta vuorokautta. Vasta kuuden vuorokauden kuluttua solut saivat kiinni uudesta ajasta.

Jostakin kumman syystä maksakudoksen solut käyttäytyivät Tein kokeessa eri tavoin kuin muut. Toistaiseksi ei osata selittää, miksi.




Sisäisen kellon säätämiä

Klo 1 Todennäköisin synnytyksen käynnistymisaika.

Klo 2 Kasvuhormonin pitoisuus veressä suurimmillaan.

Klo 6 Verenpaine kääntyy nousuun ja sydämen syke kiihtyy. Kortisolin eritys lisääntyy. Melatoniinin määrä kääntyy laskuun.

Klo 8 Sydänkohtauksen ja aivoverenkiertohäiriön vaara suurimmillaan.

Klo 15 Lihasvoima huipussaan ja refleksit herkimmillään.

Klo 16 Ruumiinlämpö, verenpaine ja pulssi saavuttavat huippuarvonsa.

Klo 21 Kipukynnys alhaisimmillaan.

Kellonajat ovat viitteellisiä.

Lähde: Scientific American 3/2000.

Banaanikärpäsellä kello siivessäkin

Pienten ja läpikuultavien eliöiden solukellot eivät tarvitse ylikelloa, vaan kaikki voivat pitää huolen itsestään. Esimerkiksi banaanikärpäsen liki kaikki kudokset pystyvät aistimaan valoa.

Tätä on selvitetty paloittelemalla banaanikärpänen, jonka period-kellogeeniin oli liitetty valaiseva merkkigeeni, aivan kuten edellä esitetyssä rottakokeessa.

Kun kärpäsen elimiä viljeltiin elatusmaljoilla, kukin elin alkoi loistaa noin 24 tunnin säännöllisessä rytmissä. Keinovalaistusta muuttamalla eri elinten solukellot saatiin sitten tahdistettua uuteen aikaan. Tästä pääteltiin, että eri elinten solut aistivat itsenäisesti valoa.

Voisiko meidänkin soluillamme olla sama kyky? Kolme vuotta sitten yhdysvaltalaistutkijat Scott Campbell ja Patricia Murphy raportoivat Science-lehdessä säätäneensä ihmisen solukellon uuteen aikaan valaisemalla polvitaivetta lampulla (ks. Tiede 2000 3/1998, s. 45). Muut tutkijat eivät toistaiseksi ole vahvistaneet tätä ilmiötä. Tapaus osoittaa kuitenkin, että vaikka kellon koneisto jo tunnetaan, sen säätelymekanismeissa riittää vielä selvittämistä.

Juha Laurén on Tiede -lehden vakituinen avustaja, joka opiskelee lääketiedettä Helsingin yliopistossa.




 

Sisältö jatkuu mainoksen alla