Studie: Cirkadiánní hodiny a viry 1.

Helene Bormann, Jane A. McKeating, Xiaodong Zhuang

Resumé

Cirkadiánní hodiny ovládají několik aspektů savčí fyziologie a zajišťují každodenní oscilace biologických procesů a chování. Naše cirkadiánní rytmy jsou poháněny endogenními centrálními hodinami v mozku, které se synchronizují s hodinami v periferních tkáních, čímž regulují náš imunitní systém a vážnost infekce. Tyto rytmy ovlivňují farmakokinezi a účinnost léčiv a vakcín. Základní cirkadiánní regulační okruhy a hodinami regulované hostitelské dráhy představují úrodnou půdu pro vznik nových antivirových terapií. Rostoucí chápání role cirkadiánních systémů ve vztahu ke schopnosti regulace virové infekce a reakci hostitelského organismu na virus může změnit klinickou léčbu těchto nemocí. Tato recenze přináší přehled experimentálních a klinických důkazů vzájemné interakce cirkadiánních hodin a virových infekcí, čímž zdůrazňuje důležitost zkoumání tohoto vztahu.

Klíčová slova cirkadiánní rytmus, viry, COVID-19, virové hodiny, virologie

Úvod: Cirkadiánní rytmy v makro- i mikroměřítku

Rotace Země způsobuje cykly dne a noci a řídí naše cirkadiánní rytmy, které se bezprostředně odrážejí v procesech, jež probíhají v mikroměřítku na buněčné úrovni. U savců je primárním externím časovačem (zeitgeber) cyklus světla a tmy, jenž zajišťuje transdukci signálů napříč retinohypotalamickým traktem až do suprachiasmatického jádra (SCN), neboli „hlavních hodin“ mozku. SCN komunikuje se zbytkem těla tak, aby se koordinovaly cirkadiánní rytmy ve všech tkáních (Astiz et al., 2019), což umožňuje organismům, aby se adaptovaly na měnící se životní prostředí a očekávaly jeho nevyhnutelné každodenní změny. SCN představuje komplexní neuronovou síť s mnoha neuronovými propojeními napříč mozkem a přenáší signály do autonomního nervového a endokrinního systému (Astiz et al., 2019). Vlivem SCN na autonomní nervový systém se mění citlivost periferních tkání vůči hormonům (Buijs et al., 2006). V důsledku toho může ten samý hormonální stimul vyvolat různé reakce v závislosti na denní době (Becker et al., 2019; Garcia-Garcia and Mendez-Ferrer, 2020). Důležitost SCN jakožto hlavního časového uzlu zdůraznily experimenty, při nichž bylo fungující SCN transplantováno myším s geneticky danou cirkadiánní arytmií a nastolilo v jejich organismu normální cirkadiánní rytmy (Ralph et al., 1990; Sujino et al., 2003); periferní tkáně však mohou být nezávisle synchronizovány jinými extracelulárními vodítky.

Obr. 1. Cirkadiánní regulace lidského těla. Vnější (environmentální) signály vyvolávají synchronizaci s centrálními hodinami, SCN v mozku, které pak synchronizují periferní hodiny v orgánech; výsledkem je molekulární regulace samostatných hodin každé buňky. Transkripční/translační zpětnovazebné smyčky koordinují rytmickou genovou expresi a proteasomální degradace určitých složek restartuje systém. BMAL1:CLOCK se váže na E-Boxy a aktivuje expresi REV-ERB, RORα a PER:CRY, které přímo inhibují BMAL1:CLOCK nebo působí na Bmal1.

V jednotlivých buňkách je mašinérie cirkadiánních hodin sebeudržujícím produktem transkripčních/translačních zpětnovazebných smyček (TTFL), které sestávají z aktivátorů a potlačovatelů. Dvěma hlavními aktivátory jsou základní helix-smyčka-helix faktory CLOCK (circadian locomotor output cycles kaput) a BMAL1 (brain and muscle ARNT-like 1), které formují heterodimery, jež vážou genomové regulační prvky zvané E-boxy, které regulují expresi cirkadiánních rytmů.

Tento komplex spouští expresi represorů PER (Period) a CRY (Cryptochrome), které dimerizují a formují negativní zpětnovazebnou smyčku, jež potlačuje transkripci navozovanou CLOCK:BMAL1. Druhá TTFL, jež je s ní provázaná, reguluje expresi BMAL1; sestává z jaderných receptorů REV-ERBα a RORα, které prostřednictvím receptorů ROR aktivují nebo inhibují transkripci (Guillaumond et al., 2005). REV-ERBα a RORα obsahují ve svých promotorech E-Boxy, a tudíž jsou regulovány BMAL1:CLOCK. Degradací těchto transkripčních faktorů dochází k resetu TTFL, čímž vzniká 24hodinová oscilace RNA a proteinových produktů těchto základních hodinových regulátorů (Takahashi, 2017).

Replikace a šíření virů, jakožto obligatorních parazitů, zcela závisí na hostiteli. Prvním krokem životního cyklu viru je proniknutí do buňky, kde se virionem váže na hostitelské faktory čili receptory na buněčném povrchu (Helenius, 2018). Poté, co dojde k průniku virové částice a rozpadu kapsidy (bílkovinného obalu), se do buňky uvolní genomy RNA či DNA, které zneužijí transkripční a translační dráhy buňky k započetí své vlastní replikace. Virová infekce může být akutní – strategie typu udeř a uteč, která je typická pro virus chřipky, nebo chronická, kvůli níž vzniká dlouhodobá infekce typu hepatitidy B (HBV). Typ infekce odráží rovnováhu mezi imunitní reakcí hostitele a strategiemi, jejichž pomocí se virus těmto imunitním reakcím vyhýbá (Virgin et al., 2009). Nedávno provedená studie na primátech odhalila, že více než 80 % genů kódujících proteiny v různých tkáních vykazuje v průběhu dne rytmické exprese (Mure et al., 2018). Vzhledem k závislosti replikace viru na buněčných drahách není nijak překvapivé zjištění, že na ni mají přímý či nepřímý vliv součásti buněčných hodin.

Obr 2. Struktura a životní cyklus viru + výsledek nákazy. Viry si svoji genetickou informaci nesou jako RNA či DNA, často ukrytou v lipidovém (tukovém) obalu (na obr. vlevo nahoře). Poté, co virus vnikne do hostitelské buňky, genetický materiál se uvolní, přeloží a replikuje (proces je znázorněn v rámečku). Genetický materiál některých virů je importován do jádra a replikuje se přímo tam. Po překladu virových proteinů a replikaci genomu se sestavují nové virové částice a uvolňují se, aby dokončily svůj životní cyklus. Úplně vpravo (emotikony): virovou infekci může buď vyřešit imunita hostitele, nebo infekce může přetrvat a stát se chronickou.

V nedávné době se objevily poznatky, které ukazují na to, že narušení cirkadiánních hodin vede ke zvýšenému sklonu k nákaze několika onemocněními, způsobovanými patogeny (Bellet et al., 2013; Kiessling et al., 2017; Hopwood et al., 2018; T. Li et al., 2019; Diallo et al., 2020; Kitchen et al., 2020). Interakce virových infekcí a cirkadiánních hodin se nyní zkoumá intenzivněji než kdy dříve (Zhuang et al., 2017; Mazzoccoli et al., 2020). Tato recenze poskytuje přehled interakcí mezi hostitelským organismem a viry z pohledu cirkadiánních rytmů, jakož i souhrn zaznamenaných interakcí virů s komponentami cirkadiánního systému (tab. 1 – čitelnější verze je k dispozici pod tímto odkazem).

Cirkadiánní dráhy utvářejí virovou infekci

Role endokrinního systému při regulaci virů

Synchronizovat periferní hodiny může řada faktorů včetně autonomního nervového systému (Becker et al., 2019; Garcia-Garcia and Mendez-Ferrer, 2020), tělesné teploty (Buhr et al., 2010), cyklů příjmu potravy a půstu (Wehrens et al., 2017; Lewis et al., 2020) a cytokinů s hormony (Astiz et al., 2019). Autonomní nervový systém je naopak ovlivňován cirkadiánními hodinami a některé viry ho mohou napadnout (Koyuncu et al., 2013), nicméně v současnosti neexistují důkazy přímé interakce virů, hodin a autonomního nervového systému.

Endokrinní systém představuje hlavní cestu, jejímž prostřednictvím dochází k synchronizaci SCN s periferními hodinami, přičemž nejlépe prozkoumaným příkladem je glukokortikoidová exprese (Oster et al., 2006, 2017; Pezuk et al., 2012). Glukokortikoidová  receptorová synchronizace vykazuje obousměrnou interakci s cirkadiánními hodinami (Lamia et al., 2011; Caratti et al., 2018). Při terapeutickém podávání glukokortikoidů (např. běžně předepisovaného kortizolu) ve zvýšeném počtu případů dochází k reaktivaci viru HBV (Hatano et al., 2019), horší průběh mají též chřipkové infekce (Tsai et al., 2020). Naproti tomu se nedávno ukázalo, že glukokortikoid dexametazon zmírňuje vážnost koronavirové nemoci (COVID-19) (Delaney et al., 2016; Horby et al., 2020). Validní vysvětlení tohoto jevu by mohlo být založeno na pozorování, že kortikosteroidy potlačují replikaci koronaviru HCoV-229E a tvorbu cytokinů v primárních kulturách z buněk výstelky lidského nosu a průdušnice (Matsuyama et al., 2020; Yamaya et al., 2020). Melatonin, uvolňovaný do organismu šišinkou, moduluje spánkové chování a při virových onemocněních vykazuje široké spektrum antivirových aktivit (Anderson a Reiter, 2020). Na myším modelu melatonin může inhibovat NLRP3 inflamasom (Y. Zhang et al., 2016; Cao et al., 2017; Ma et al., 2018), což nás i jiné výzkumníky (Shneider et al., 2020) vede ke spekulacím o jeho roli v této zánětlivé dráze při COVIDu-19.

Cirkadiánní regulace imunity hostitele: dopad na virovou infekci

Za účelem přizpůsobení se změnám okolního prostředí a minimalizace rizika infekce mnoho imunitních parametrů v průběhu dne kolísá (Man et al., 2016; Scheiermann et al., 2018). Určité funkce vrozeného imunitního systému závisí na buněčných hodinách, přičemž CLOCK, BMAL1 a REV-ERB regulují esenciální procesy, jako je například exprese receptorů pro rozeznávání vzorců (PRR), jež se podílejí na vnímání nukleových kyselin během virových infekcí (Silver et al., 2012, 2018). Myším s latentní infekcí myším γ-herpesvirem se dostalo akutní zánětlivé výzvy v podobě opakovaného narušování cirkadiánního rytmu, které imitovalo práci na směny. Autoři zaznamenali reaktivaci latentního viru, jež se projevila zvýšenou virovou náloží a změnami koncentrace cytokinů a chemokinů v plicích (Trammell and Toth, 2016).

Sengupta et al. (2019) demonstrovali důležitost závislosti hladiny T-lymfocytů, NK-buněk a zánětlivých Ly6c^hi monocytů na denní době při chřipkové infekci. Nguyen et al (2013) prokázali, že denní výkyvy Ly6C^hi monocytů reguluje BMAL1. I jiné respirační viry vykazují závislost na cirkadiánním rytmu: například Majumdar et al. (2017) informovali, že nedostatek BMAL1 zvyšuje vnímavost vůči respiračnímu syncytickému viru (RSV) a PIV3 (lidskému viru parainfluenzy typu 3).

REV-ERB může potlačit zánětlivé odpovědi a sekreci chemokinů v kontextu zánětu plic (Caratti et al., 2018).

-pokračování-