Mathematik trifft auf Biologie, um unerwartete Biorhythmen aufzudecken

Ein neuartiger mathematischer Ansatz hat aufgedeckt, dass einige Tierzellen zusätzlich zu zirkadianen oder 24-Stunden-Zyklen robuste 12-stündige Zyklen genetischer Aktivität aufweisen.

12-Stunden-Zyklen

Ein neuartiger mathematischer Ansatz hat aufgedeckt, dass einige Tierzellen zusätzlich zu zirkadianen oder 24-Stunden-Zyklen robuste 12-stündige Zyklen genetischer Aktivität aufweisen. Die in der Zeitschrift PLOS ONE veröffentlichte Methode bewertete die Periodizität von Genexpressionsdaten und verglich die Ergebnisse mit denen, die mit anderen Computermethoden erhalten wurden. Im Gegensatz zu den anderen Methoden zeigte dieser neue Ansatz nicht nur die Existenz von ungeahnten biologischen Zyklen, sondern auch, dass die 12-Stunden-Zyklen unabhängig von den 24-Stunden-Zyklen arbeiten, was durch Laborexperimente bestätigt wurde. Diese Erkenntnisse eröffnen ein neues Forschungsgebiet, in dem die Genfunktionen im Laufe der Zeit Gesundheit und Krankheit beeinflussen.

Circadiane Rhythmen

“Circadiane Rhythmen sind physische, mentale und Verhaltensänderungen, die einem 24-stündigen Zyklus folgen, der von Umgebungslicht und Dunkelheit angetrieben wird. Einer der bekanntesten circadianen Zyklen ist nachts zu schlafen und während des Tages wach zu sein”, sagte der korrespondierende Autor Dr. Clifford C Dacso, Professor für Molekular- und Zellbiologie und Mitglied des Dan L Duncan Comprehensive Cancer Center am Baylor College of Medicine. “Diese biologischen Rhythmen spiegeln komplexe Wechselwirkungen auf molekularer Ebene wider, die auf den Pfaden auftreten, die die Expression von Genen in aktive Proteine ​​vermitteln, die Funktionen in der Zelle tragen.”

Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass neben 24-Stunden-Rhythmen auch andere biologische Zyklen existieren. Blutdruck, Körpertemperatur, kognitive Leistungsfähigkeit, einige zirkulierende Hormone, Reaktion auf Stress und Reaktionen auf medikamentöse Therapie scheinen zum Beispiel einem 12-Stunden-Rhythmus zu folgen, aber über die biologische Basis ist wenig bekannt. Dacso und seine Kollegen machten sich daran, Antworten zu finden.

“Wir haben entschieden, dass wir einen unvoreingenommenen mathematischen Ansatz anwenden müssen, der sich von denen anderer Gruppen unterscheidet”, so Dacso. Er kontaktierte die Kollegen der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rice University und übergab ihn an Dr. Athanasios Antoulas, einen Professor in dieser Abteilung, der auch Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland ist.

Antoulas ist ein Mathematiker und Ingenieur mit Erfahrung in der Verarbeitung von digitalen Signalen wie elektronischen Wellen. Er hatte ein neues mathematisches Werkzeug entwickelt, die Matrix-Stift-Methode, mit der er Frequenzen von sehr lauten digitalen Daten aufdecken konnte.

“Andere mathematische Methoden näherten sich dieser Art von Problem an, indem sie fragten, ob eine bestimmte Wellenform in den Daten existiert? Sie waren bereits voreingenommen, um eine bestimmte Art von Welle zu finden”, sagte Antoulas, der der erste Autor des Papiers ist Professor für Molekular- und Zellbiologie bei Baylor. “Auf der anderen Seite stellte die von uns vorgeschlagene Methode eine unvoreingenommene Frage, welche Art von Welle ist in den Daten vorhanden, wenn überhaupt?”

Wenn Mathematik auf Biologie trifft

Die Forscher verwendeten die mathematische Methode Antoulas, die zur Analyse elektronischer digitaler Signale verwendet wurde, um ein biologisches Phänomen zu analysieren, insbesondere Genexpressionsdaten, die 36 Stunden lang jede Stunde gesammelt wurden. Die Forscher analysierten mehr als 18.000 Mausleber-Gene, die an einer Vielzahl von zellulären Prozessen beteiligt sind, einschließlich Stoffwechsel, Zellstress, Zellzyklus und Zellatmung.

“Unsere Methode enthüllte die fundamentalen Zyklen, die in jedem für jedes Gen gesammelten Datensatz vorhanden sind”, sagte Antoulas. “Wir bestätigten die zirkadianen 24-Stunden-Zyklen und deckten Gene auf, deren Expression im Laufe der Zeit einem 12-Stunden-Zyklus folgte, der bei Verwendung anderer Computermethoden nicht offensichtlich war.”

“Wir haben uns die 12- und 24-Stunden-Zyklen genauer angesehen”, sagte Dacso. “Die Matrix-Stift-Methode zeigte, dass diese Zyklen unabhängig waren, und dies wurde durch Laborexperimente bestätigt, die zeigen, dass das Abschlagen von Genen, die einem 24-Stunden-Zyklus folgen, das Expressionsmuster der 12-Stunden-Gene nicht beeinflusst.”

“Indem wir die Funktion von Genen im Laufe der Zeit betrachten, haben wir entdeckt, dass grundlegende Zellfunktionen wie Entzündung, Stressreaktion, Proteinqualitätskontrolle und Energieversorgung bestimmten Zyklen folgen”, so Dacso. “Dieser Befund hat enorme Auswirkungen auf die Neudefinition von Aspekten der menschlichen Gesundheit, die von Genen gesteuert werden.”

“Wir und andere haben gezeigt, dass die Störung der 24-Stunden-Uhren zu Stoffwechselerkrankungen führen kann”, sagte Co-Autor Dr. Bert O’Malley, Kanzler und Professor für Molekular- und Zellbiologie und Thomas C. Thompson Lehrstuhl für Zellbiologie an Baylor College der Medizin. “

Zum Beispiel zeigen experimentelle Beweise, dass Nachtschichtarbeiter, die regelmäßig ihre Nacht- und Tagesschichten wechseln oder Menschen, die ins Ausland reisen, oft ihre Schlafzyklen ändern, und dies scheint sie anfällig für Gewichtszunahme zu machen und Diabetes und andere Veränderungen des Stoffwechsels zu entwickeln zu einer Erkrankung führen. Es ist keine gute Idee, den circadianen Rhythmus regelmäßig zu stören. Wir gehen davon aus, dass Störungen der anderen Zyklen auch Gesundheit und Krankheit beeinträchtigen können. “

 Quelle:

 Baylor College of Medicine .

Mathematik trifft auf Biologie, um unerwartete Biorhythmen aufzudecken

Ein neuartiger mathematischer Ansatz hat aufgedeckt, dass einige Tierzellen zusätzlich zu zirkadianen oder 24-Stunden-Zyklen robuste 12-stündige Zyklen genetischer Aktivität aufweisen. 12-Stunden-Zyklen Ein neuartiger mathematischer Ansatz hat aufgedeckt, dass einige Tierzellen zusätzlich zu zirkadianen oder 24-Stunden-Zyklen robuste 12-stündige Zyklen genetischer Aktivität aufweisen. Die in der Zeitschrift PLOS ONE veröffentlichte Methode bewertete die Periodizität von Genexpressionsdaten und verglich die Ergebnisse mit denen, die mit anderen Computermethoden erhalten wurden. Im Gegensatz zu den anderen Methoden zeigte dieser neue Ansatz nicht nur die Existenz von ungeahnten biologischen Zyklen, sondern auch, dass die 12-Stunden-Zyklen unabhängig von den 24-Stunden-Zyklen arbeiten, was durch Laborexperimente bestätigt wurde. Diese Erkenntnisse eröffnen ein neues Forschungsgebiet, in
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