A matematika találkozik a biológiával, hogy felfedje a váratlan bioritmusokat

Egy új matematikai megközelítés feltárta, hogy egyes állati sejtek robusztus 12 órás genetikai aktivitási ciklusokkal rendelkeznek, a cirkadián vagy a 24 órás ciklusok mellett. A PLOS ONE folyóiratban megjelent módszer értékelte a génexpressziós adatok periodicitását, és összehasonlította az eredményeket más számítási módszerekkel kapott eredményekkel. A többi módszerrel szemben ez az új megközelítés nemcsak a feltételezhetetlen biológiai ciklusok létezését mutatta be, hanem azt is, hogy a 12 órás ciklusok a 24 órás ciklusoktól függetlenül működnek, amit laboratóriumi kísérletek is megerősítettek. Ezek az eredmények új kutatási területet nyitnak meg arról, hogy az idő múlásával a génfunkciók hogyan befolyásolják az egészséget és a betegségeket.

felfedje

"A cirkadián ritmusok fizikai, mentális és viselkedési változások, amelyek a környezeti fény és sötétség által vezérelt 24 órás ciklust követik. Az egyik legismertebb cirkadián ciklus éjszaka alszik és nappal ébren van" - mondta Dr. Clifford C. Dacso, a molekuláris és sejtbiológia professzora, valamint a Dan L Duncan Átfogó Rákközpont tagja a Baylor College of Medicine-n. "Ezek a biológiai ritmusok összetett kölcsönhatásokat tükröznek molekuláris szinten, amelyek a gének expresszióját a sejtben funkciót hordozó aktív fehérjékké közvetítő utak között fordulnak elő."

Van azonban bizonyíték arra, hogy a 24 órás ritmus mellett más biológiai ciklus is létezik. Például a vérnyomás, a testhőmérséklet, a kognitív teljesítmény, néhány keringő hormon, a stresszre adott reakció és a gyógyszeres terápiára adott válasz 12 órás ritmust követ, de ennek biológiai alapjait keveset lehet tudni. Dacso és kollégái elindultak válaszokat keresni.

"Úgy döntöttünk, hogy elfogulatlan matematikai megközelítést kell alkalmaznunk, eltér attól, amelyet a többi csoport használ" - mondta Dacso. Felvette a kapcsolatot a Rice Egyetem Elektromos és Számítástechnikai Tanszékének munkatársaival, akik Dr. Athanasios Antoulashoz, a tanszék professzorához irányították, aki a németországi Max-Planck Társaság munkatársa.

Antoulas matematikus és mérnök, aki jártas a digitális jelek, például az elektronikus hullámok feldolgozásában. Kidolgozott egy új matematikai eszközt, a mátrixceruza módszert, amely lehetővé tette számára, hogy nagyon zajos digitális adatokból fedezze fel a frekvenciákat.

"Más matematikai módszerek úgy közelítették meg ezt a típusú problémát, hogy megkérdezték, létezik-e egy meghatározott hullámforma az adatokban? Már elfogultak voltak egy adott hullámtípus megtalálásában" - mondta Antoulas, aki a cikk első szerzője és kiegészítője. a molekuláris és sejtbiológia professzora a Baylorban. "Másrészt az általunk javasolt módszer elfogulatlan kérdést tett fel; milyen típusú hullám van jelen az adatokban, ha vannak ilyenek?"

Amikor a matematika találkozik a biológiával

A kutatók az Antoulas matematikai módszert alkalmazták az elektronikus digitális jelek elemzésére egy biológiai jelenség elemzésére, különös tekintettel a génexpressziós adatokra, amelyeket óránként 36 órán keresztül gyűjtöttek. A kutatók több mint 18 000 egérmáj gént elemeztek, amelyek részt vesznek a különféle sejtes folyamatokban, beleértve az anyagcserét, a sejtstresszet, a sejtciklust és a sejtlégzést.

"A módszerünk feltárta az egyes génekre összegyűjtött minden adatkészletben jelen lévő alapvető ciklusokat" - mondta Antoulas. "Megerősítettük a 24 órás cirkadián ciklusokat és feltártuk azokat a géneket, amelyek expressziója az idő múlásával 12 órás ciklust követett, ami más számítási módszerek alkalmazásakor nem volt nyilvánvaló."

"Közelebbről megvizsgáltuk a 12 és 24 órás ciklusokat" - mondta Dacso. "A mátrixceruza módszer feltárta, hogy ezek a ciklusok függetlenek voltak, és ezt laboratóriumi kísérletek is megerősítették, amelyek szerint a 24 órás ciklust követő gének leütése nem befolyásolja a 12 órás gének expressziós mintázatát."

"A gének időbeli működésének vizsgálatával, szemben az egyetlen pillanat megtekintésével, kiderült, hogy az alapvető sejtfunkciók, mint például a gyulladás, a stressz reakció, a fehérje minőségének ellenőrzése és az energiaellátás, bizonyos ciklusokat követnek" - mondta Dacso. "Ennek a megállapításnak óriási következményei vannak az emberi egészség gének által kontrollált szempontjainak újradefiniálásában."

"Mi és mások megmutattuk, hogy a 24 órás órák megzavarása anyagcsere-betegségekhez vezethet" - mondta Dr. Bert O'Malley társszerző, kancellár, a molekuláris és sejtbiológia professzora és Thomas C. Thompson sejtbiológiai tanszék Baylor Orvostudományi Főiskola. "Kísérleti bizonyítékok például azt mutatják, hogy az éjszakai műszakban dolgozók, akik rendszeresen változtatják az éjszakai és nappali műszakukat, vagy a tengerentúlra utazó emberek gyakran megváltoztatják alvási ciklusukat, és ez úgy tűnik, hajlamossá teszi őket a hízásra, a cukorbetegség és az anyagcsere egyéb olyan változásainak kialakulására, amelyek betegséghez vezethet. Nem célszerű a cirkadián ritmust rendszeresen megzavarni. Úgy gondoljuk, hogy a többi ciklus megzavarása szintén befolyásolhatja az egészséget és a betegségeket. "