생체 리듬 : 내면의 시계를 맞추고 건강을 개선하십시오

인생에서 타이밍은 모든 것입니다.

몸의 내부 시계, 즉 일주기 리듬은 엄청난 다양성의 과정을 조절합니다: 잠에서 깨어 나면, 배가 고프거나, 가장 생산적 일 때. 순전히 우리의 삶에 미치는 영향을 감안할 때, 그것이 우리의 건강에도 막대한 영향을 미친다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 연구원은 일주기 건강을 당뇨병, 심혈관 질환 및 신경 퇴행의 위험에 연결했습니다. 식사와 약의시기가 대사되는 방식에 영향을 줄 수 있다는 것도 알려져 있습니다.

내부 시계를 측정하는 능력은 건강을 개선하고 의학을 개인화하는 데 중요합니다. 그것은 질병의 위험에 처한 사람을 예측하고 부상으로 회복을 추적하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 화학 요법 및 혈압 및 기타 약물의 공급을 낮추어 부작용의 위험을 최소화하면서 더 낮은 용량으로 최적의 효과를 낼 수 있습니다.

그러나 자신의 내부 시계를 정확하게 읽는 것은 수면과 24 시간 건강에 중요한 도전 과제입니다. 현재의 접근 방식은 밤낮으로 멜라토닌 (멜라토닌은 수면을 조절하는 호르몬) 샘플을 복용해야하는데, 이는 비용이 많이 들고 환자에게 극도로 부담이됩니다. 이것은 일상적인 임상 평가에 통합하는 것을 불가능하게 만듭니다.

동료들과 저는 번거로운 직렬 샘플링없이 내부 시간에 대한 정확한 측정을 원했습니다. 저는 전산 생물 학자로서 수학적 알고리즘과 계산 알고리즘을 사용하여 복잡한 데이터에 대한 열정을 가지고 있습니다. 필립 스 지 (Phyllis Zee)와 라비 알라다 (Ravi Allada)와의 공동 연구자는 수면제 및 일주기 생물학 분야에서 세계적으로 유명한 전문가입니다. 함께 일하면서 우리는 사람의 내부 시계를 읽는 간단한 혈액 검사를 설계했습니다.

세포 음악 듣기

circadian 리듬은 뇌의 suprachiasmatic 핵 영역에있는 중앙 시계에 의해 안내하여 몸의 모든 단일 세포에 존재합니다. 오래된 공장의 보조 시계와 마찬가지로이 "주변 장치"시계는 뇌의 마스터 시계와 동기화되어 있지만 페트리 접시에서도 자신의 눈으로 확인할 수 있습니다!

세포는 피드백 루프에서 상호 작용하는 핵심 시계 유전자 네트워크를 통해 시간을 유지합니다. 하나의 유전자가 켜지면 다른 분자가 다시 활성화되어이 경쟁으로 인해 24 시간 이내에 유전자 활성화가 일어납니다. - 시간주기. 이 유전자들은 차례로 다른 유전자들의 활동을 조절하는데,이 유전자들은 또한 하루 동안 진동한다. 주기적인 유전자 활성화 메커니즘은 세포와 조직에서 생물학적 과정을 조율하여 특정 시간대에 동시에 일어날 수있게합니다.

핵심 시계 유전자의 발견은 작년에 노벨위원회가 인정한 생물학적 기능이 어떻게 조정되는지에 대한 우리의 이해에 매우 중요합니다. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 및 Michael W. Young은 "생체 리듬을 조절하는 분자 메커니즘에 대한 발견으로 2017 년 노벨 생리 의학상"을 수상했습니다. 다른 연구자들은 다른 모든 유전자의 40 % 일일 리듬에 반응하여 하루의 활동을 바꿉니다.

이것은 우리에게 아이디어를주었습니다: 아마도 우리는 혈액 속의 유전자들의 활동 수준을 사용하여 사람의 내부 시간 - 벽의 시계가 말하는 것과 상관없이 당신의 몸이 생각하는 시간 -을 추론 할 수 있습니다. 우리 중 많은 사람들은 우리의 환경과 "비동기"로 느껴지는 경험을했습니다. 마치 오전 7 시가 되더라도 오전 5 시가 된 것처럼 느껴지기도합니다. 우리 활동이 동기가 맞지 않아 발생할 수 있습니다. 우리의 내부 시계 - 벽에 시계가 항상 당신을 위해 어떤 시간 개인의 좋은 징후가되지 않습니다. 내부 시계가 생물학과 건강에 미칠 수있는 중대한 영향을 알면 개인 신체의 정확한 내부 시간을 측정하기 위해 유전자 활동을 측정하기 위해 영감을 얻었습니다. 우리는 TimeSignature를 개발했습니다.이 알고리즘은 두 가지 간단한 혈액 추출법을 사용하여 유전자 발현에서 사람의 내부 시계를 측정 할 수있는 정교한 계산 알고리즘입니다.

견고한 테스트 설계

우리의 목표를 달성하기 위해, TimeSignature는 (몇 몇의 혈액에서 유전자의 최소 수를 측정하는), 매우 정확하고, - 가장 중요한 것은 - 견고해야했습니다. 즉, 숙면을 취했는지, 최근에 해외 휴가로 돌아 왔는지, 새 아기와 함께 밤새도록 지내는지에 관계없이 본질적인 생리적 시간을 정확하게 측정해야합니다. 그리고 그것은 우리 실험실뿐만 아니라 전 세계의 실험실에서 일할 필요가있었습니다.

유전자 기호 바이오 마커를 개발하기 위해, 우리는 건강한 성인 자원자 집단으로부터 2 시간마다 수만 번의 측정을 수집했습니다. 이 측정은 하루 동안 각 유전자가 각 사람의 혈액에 얼마나 활동적 이었는지를 나타냅니다. 우리는 비슷한 측정 값을 수집 한 다른 세 연구의 데이터도 사용했습니다. 그런 다음 TimeSignature라는 새로운 기계 학습 알고리즘을 개발했습니다.이 알고리즘을 사용하여이 데이터를 통해 컴퓨터를 검색하여 시간을 알려주는 작은 크기의 바이오 마커 세트를 추출 할 수있었습니다. 41 개의 유전자 세트가 최고의 마커로 확인되었습니다.

놀랍게도, 모든 TimeSignature 유전자가 알려진 "핵심 시계"회로의 일부인 것은 아닙니다. 그 중 많은 수가 하루 동안 변동하기 쉬운 시계에 의해 유도되는 면역 체계와 같은 다른 생물학적 기능을위한 유전자입니다. 이것은 일주기 조절이 얼마나 중요한지를 강조합니다. 다른 생물학적 과정에 미치는 영향이 너무 커서 시계를 모니터 할 수있는 프로세스를 사용할 수 있습니다!

공개 연구 중 하나에서 환자의 작은 하위 집합의 데이터를 사용하여 TimeSignature 시스템을 훈련하여 41 개의 유전자 활동에 따라 시간을 예측했습니다. (다른 환자의 데이터는 우리의 방법을 테스트하기 위해 별도로 보관되었습니다.) 훈련 데이터를 바탕으로, TimeSignature는 다양한 활동 패턴이 서로 다른 시간대와 어떻게 관련되는지를 "배울 수있었습니다". 이러한 패턴을 배운 후 TimeSignature는 이러한 유전자의 활동을 조합하여 몸이 생각하는 시간을 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 외부에 오전 7 시가 될 수 있지만, 혈액의 유전자 활동은 오전 5시와 일치 할 수 있습니다. 이는 체내에서 아직 오전 5시에 있음을 나타냅니다.

그런 다음 TimeSignature 알고리즘을 나머지 데이터에 적용하여 테스트했으며 매우 정확하다는 것을 입증했습니다. 우리는 사람의 내부 시간을 1.5 시간 내에 추론 할 수있었습니다. 우리는 또한 우리의 알고리즘이 전 세계 여러 실험실에서 수집 된 데이터에 적용되어 쉽게 채택 될 수 있음을 보여주었습니다. 우리는 심지어 우리의 TimeSignature 테스트가 수면 부족이나 제트기 걸린 사람이라 할지라도 사람의 고유 한 일주기 리듬을 높은 정확도로 감지 할 수 있음을 입증 할 수있었습니다.

TimeSignature와 건강 조화

Circadian 리듬을 쉽게 측정 할 수 있으므로 TimeSignature는 개인화 된 의학에 시간을 통합 할 수있는 가능성을 열어줍니다. 건강에 대한 일주기 리듬의 중요성이 주목되었지만 실제로 작동하는 방식을 이해하는 데있어서만 표면을 긁었습니다. TimeSignature를 사용하여 연구자는 두 번의 간단한 혈액 추출을 사용하여이 중요한 측정을 통합하여 연구에서 내부 시간에 대한 매우 정확한 측정을 쉽게 포함 할 수 있습니다. TimeSignature를 사용하면 과학자들은 생리적 시계가 다양한 질병의 위험, 신약의 효능, 연구하거나 운동하기에 가장 좋은시기 등에 어떻게 영향을 미치는지 조사 할 수 있습니다.

물론 아직해야 할 일이 많이 남아 있습니다. 우리는 일 주기적 정렬 불균형이 질병의 위험 요소라는 것을 알고 있지만, 불일치가 얼마나 나쁜지는 아직 알지 못합니다. TimeSignature는 향후 연구를 통해 일주기 리듬과 질병 간의 정확한 관계를 계량화 할 수 있습니다. 질병의 유무에 관계없이 사람들의 TimeSignatures를 비교함으로써 질병과의 연관성을 분석하고 누가 위험에 처해 있는지 예측할 수 있습니다.

길 아래로, 우리는 TimeSignature가 귀하의 의사 사무실로 들어갈 것을 기대합니다. 귀하의 일과성 건강은 콜레스테롤 테스트와 마찬가지로 빠르고 쉽고 정확하게 모니터 될 수 있습니다. 예를 들어, 많은 약물에는 최적의 투약 시간이 있지만, 혈압 약이나 화학 요법을 복용하는 가장 좋은시기는 다른 사람과 다를 수 있습니다.

이전에는 임상 적으로 측정 할 수있는 방법이 없었지만 TimeSignature는 의사가 간단한 혈액 검사를 수행하고 41 개의 유전자 활동을 분석하며 가장 효과적인 혜택을 줄 수있는 시간을 권장 할 수있었습니다. 우리는 또한 몸의 시계가 외부 시간과 일치하지 않을 때 일주일의 어긋남이인지 감퇴에 대한 치료 가능한 위험 요소라는 것을 알고 있습니다. TimeSignature를 통해 우리는 누가 위험에 처해 있는지 예측할 수 있으며 잠재적으로 시계를 맞추기 위해 개입 할 수 있습니다.

이 기사는 원래 Rosemary Braun의 The Conversation에 게시되었습니다. 여기에 원본 기사를 읽으십시오.