Точность биологических часов, хронотип, здоровье и долголетие

Скорость хода биологических часов и циркадный период. Биологические часы (БЧ) клетки идут с разной скоростью. Скорость хода клеточных БЧ является видоспецифическим признаком и определяется внутренним циркадианным, или циркадным периодом, (далее – tau ), варьирующем в диапазоне ~24 ± 4 часа (Dibner et al., 2010). Каждый индивидуум имеет собственное значение tau , который обусловлен полиморфизмом ключевых часовых ( core clock genes, CG ), а также ряда других генов. Клеточные БЧ генетически консервативны на разных уровнях организации живого и имеют общие эволюционные предпосылки (Reppert & Weaver, 2002; Partch et al, 2014; Takahashi, 2017). Оптимальная синхронизация БЧ подразумевает фазовую подстройку и согласование циркадных ритмов (ЦР) метаболизма (соотношения фаз ассимиляции и диссимиляции) (Губин, 2013; Dibner et al, 2010; Eckel-Mahan & Sassone-Corsi, 2013; Millius & Ueda, 2017; Takahashi, 2017) и баланса окислительно-восстановительных реакций (Edgar et al, 2012).

Эндогенный циркадный период tau можно точно определить в условиях отсутствия изменения внешней освещенности. При постоянных световых условиях БЧ испытывают свободно-текущий, или фазово-дрей-фующий характер с эндогенным периодом, tau, отличным от 24 часов. Отклонения τau возможны в диапазоне 24 ± 4 часа (откуда и появилось представление о циркадианной ритмичности). Существует 2 основ- ных модели световой синхронизации БЧ (Daan, 2000). Согласно параметрической модели Юргена Ашоффа, направление сдвига в ту или иную сторону от 24 ч зависит от уровня внешней освещенности и у видов с дневным и ночным типом активности, изменяется разнонаправлено. У животных с дневным типом активности, включая человека, постоянный свет ускоряет ход БЧ, сокращая tau. В темноте tau, напротив, увеличивается. У ночных видов закономерность носит противоположный характер. Непараметрическая модель Колина Питтендриха учитывает роль моментов перехода уровня освещенности от света в темноту и обратно в фазовой подстройке ЦР и синхронизации с внешними фотопериодическими условиями.

В повседневных условиях основным синхронизирующим фактором выступает свет (изменение его физических характеристик – освещенности и спектрального состава) (Beersma & Daan, 1993). Свет поступает на сетчатку, через преимущественно меланопсиновые рецепторы, через которые сигнал передается далее через ретино-гипоталамический тракт центральному осциллятору гипоталамуса, парным супрахиазмати-ческим ядрам, СХЯ (Provencio & Warthen, 2012), опосредованно влияя также на продукцию мелатонина эпифизом (Phillips et al, 2019). Даже незначительных изменений внешней освещенности в течение суток достаточно для синхронизации ЦР, что обеспечивает их точный ход с tau = 24 ч.

tau, амплитуда фенотипических ЦР и здоровье . Амплитуда фенотипических ритмов (большинства измеряемых в клинике параметров – например, физиологических и биохимических показателей) предопределяется фазовой стабильностью лежащих в их основе БЧ. Факторы, способные влиять на tau , либо разобщать фазовую синхронность ЦР, способны тем самым снижать амплитуду ЦР и провоцировать развитие внутреннего десинхроноза. Амплитуда ЦР является важнейшим интегральным показателем синхронизации. Геннадий Губин одним из первых выделил данный параметр как неспецифический критерий надежности биологической системы и ее адаптивных резервов, развивающийся в ходе эволюции и изменяющийся в процессе индивидуального развития (Губин и Герловин, 1980), установив общебиологическую закономерность постепенного снижения амплитуды ЦР в процессе старения (Губин и Вайнерт, 1991). Также Геннадий Губин предвидел, что данный интегральный маркер ЦР может служить маркером уровня здоровья, который необходимо целенаправленно изучать для ранней диагностики патологий (Губин и Чесноков, 1976).

В последние годы во многих работах амплитуда ЦР была соотнесена с комплексной оценкой состояния здоровья, кроме того была подтверждена позитивная роль высокой амплитуды ЦР (Buhr & Takahashi, 2013; Eckel-Mahan & Sassone-Corsi, 2013; van der Berg et al, 2017; Gubin et al, 2013, 2017; Chen et al, 2013; Dupont Rocher et al, 2016; Maloney et al, 2019; Weinert & Gubin, 2018; Takahashi et al, 2017; Zare et al, 2017). В частности, высокая амплитуда ЦР сывороточного холестерина была ассоциирована с продолжительностью жизни человека (van der Berg et al, 2017), а высокая амплитуда ЦР температуры и двигательной активности служила предиктором продолжительности жизни лабораторных мышей (Basso et al, 2016). Более высокий уровень физической активности и кислородной емкости пожилых лиц коррелирует с высокой амплитудой ЦР экспрессии часового гена Per3 (Takahashi et al, 2017) и амплитудой ЦР температуры в полости рта (Dupont Rocher et al, 2016). Ограничение калорийности питания, зарекомендованный способ увеличения продолжительности жизни, сопровождается увеличением амплитуды ЦР (Nelson and Halberg, 1986; Escobar et al, 2011). Напротив, снижение амплитуды (вплоть до нивелирования значимого ЦР) тиреотропного гормона, ТТГ выявлено при болезни Альцгеймера на фоне более низкой среднесуточной продукции данного гормона (Chen et al, 2013). Резкое снижение амплитуды ЦР, вплоть до исчезновения ритмичности одного из ключевых часовых генов у Drosophila, TIMELESS и нарушение ЦР экспрессии другого ключевого гена Per в периферических тканях является предиктором более скорой смерти в разных возрастных группах (Zhao et al, 2018). Снижение амплитуды ЦР ритма температуры тела, сердечного ритма и уровня глюкозы натощак характеризуют клиническую картину предиабета и сахарного диабета 2 типа среди лиц с повышением индекса массы тела (Gubin et al, 2017). Выраженные фазовые и амплитудные изменения ЦР температуры (Gubin et al, 2019) и амплитудно-фазовые изменения внутриглазного давления, ВГД (Губин и др, 2018) наблюдаются при прогрессировании первичной открыто-угольной формы глаукомы. Именно низкая амплитуда ЦР наряду со снижением качества сна оказалась ведущим фактором, взаимосвязанным с прогнозом отсутствия на рабочем месте из-за временной нетрудоспособности среди работников газодобывающей отрасли (Zare et al, 2017). Наконец, снижение амплитуды ЦР является характерным атрибутом самого процесса старения (обзоры: Губин и Вайнерт, 2015; Gubin et al, 2016), а сохранение генетически обусловленной высокой амплитуды ЦР взаимосвязано с большей продолжительностью жизни (Hurd & Ralf, 1998; Froy et al, 2006).

Взаимосвязь tau и амплитуды ЦР. Гипотеза циркадного резонанса. Высокая амплитуда ЦР может быть обусловлена эндогенными БЧ с точным ходом, т.е. с tau , имеющим небольшое отклонение от 24 часов (Pitterndrigh et al, 1991; Агаджанян и Губин, 2004). Соответственно, можно предполагать существование более высокой устойчивости к факторам десинхроно-за для организмов с наиболее точным значением τ au . Гипотеза, обосновывающая общебиологическую целесообразность и адаптивность точного τ au, известная также как гипотеза «циркадного резонанса» была впервые высказана Питтендрихом и Брюсом в 1959 г. (Pittendrigh & Bruce, 1959). Впоследствии было показано, что взаимосвязь между внутренним (биологическим) ходом времени и внешними водителями ритма для представителей разных видов, включая человека, определяется преимущественно величиной τau (Wright et al, 2005).

Внутренний tau и продолжительность жизни. Весьма интересны данные, которые свидетельствуют о том, что точный эндогенный τau может быть связан как с более высокой и устойчивой к десинхронизации циркадной амплитудой, так и с большей продолжительностью жизни, что было показано в работах на различных видах не только модельных животных, в частности, некоторых видах грызунов и приматов

(Pittendrigh & Minis, 1972; Hurd & Ralf, 1998; Martino et al, 2008; Wyse et al, 2010; Gutman et al, 2011; Libert et al, 2012), но также растений (Dodd et al, 2005) и даже цианобактерий (Ouyang et al, 1998). Мыши, имеющие точный tau сохраняют его стабильным и в процессе старения (Gutman et al, 2011). В исследовании на линии мышей был установлен приблизительный доверительный интервал необходимой точности tau с отклонением в пределах не более 7 минут, ассоциированный с достоверным увеличением продолжительности жизни (Libert et al, 2012).

Хронотип и tau. До настоящего времени точное измерение tau остается трудоемким методом, т.к. возможно лишь при нахождении испытуемого в контролируемых лабораторных условиях в течение нескольких дней при постоянных условиях (протокол constant routine) или при навязанной десинхронизации (forced desynchrony) (Czeisler et al, 1999; Chang et al, 2019), либо с меньшей точностью при исследовании культур клеток фибробластов, ( Pagani et al, 2010; Hida et al, 2013). Однако, оценка хронотипа с помощью простых анкет также дает ориентировочное представление о tau (Duffy et al, 2001; Emens et al., 2009). Анкетирование хронотипа по одному из двух наиболее распространенных методов, по Horne-Ostberg (Horne and Ostberg, 1976), либо по Мюнхенскому тесту (Roenneberg et al., 2003) является широко распространенным и простым способом оценки также фазы биологических часов.

В наиболее внушительной на данный момент по статистической выборке работе (Knutson & von Shantz, 2018) был проведен анализ данных биобанка почти полумиллиона англичан, который показал четкую взаимосвязь вечернего хронотипа с повышенным риском заболеваемости и смертности. В обсуждении авторы данной работы сходятся во мнении с другими авторами, что такая взаимосвязь может являться следствием сложившейся «социальной дискриминации» вечерних хронотипов, вынужденных подстраиваться под прокрустово ложе стандартных социальных режимов труда. В условиях современной цивилизации лица с вечерним хронотипом являются наиболее подверженными внешнему десинхронозу – в частности, социальному джет-лагу (десинхронизации между фазой эндогенных БЧ и социальными факторами) (Roenneberg et al, 2003). Действительно, выраженность социального джет-лага коррелирует с комплексными метаболическими нарушениями, сопровождающими в т.ч. процесс старения – со снижением липопротеинов высокой плотности, повышением триглицеридов, инсулина натощак, резистентности к инсулину, риском метаболического синдрома, предрасположенностью к сахарному диабету 2 типа и атеросклерозу (Wong et al, 2015), а также более высокой распространённость апноэ сна и более высоким уровнем стрессовых гормонов (Lucassen et al, 2013). Во многих исследованиях также прослеживается взаимосвязь между нарушением режима сна / дефицитом сна c изменениями липидного (Aho et al, 2016; Weljie et al, 2015) и углеводного метаболизма (Maury, 2019; Poggiogalle et al, 2018).

Однако, для такой взаимосвязи кроме социального может существовать и биологическое обоснование – а именно, сопряженность определенного хронотипа с более точным tau .

tau, хронотип и здоровье, или какой хронотип лучше? Вряд ли на данный вопрос можно дать простой ответ. Однако, вполне возможно обосновать взаимосвязь между точным tau и хронотипом. Взяв за основу табличные данные, представленные в работе ( Knutson & von Shantz, 2018), мы предприняли попытку проанализировать ассоциативную свзяь между 4 вариантами хронотипа и природой заболеваемости. На рис. 1 приведены наши расчеты по оригинальным табличным данным авторов (Knutson & von Shantz, 2018). Данные таблицы 1 исходной статьи по коморбидной патологии были выражены в процентах для каждого из 9-ти маркеров ведущей коморбидной патологии. Затем для каждого хронотипа была рассчитана средняя относительная заболеваемость. Мы исключили из расчетов заболеваемость с маркером «психологические расстройства» (« psychological disorders» ), отличительной особенностью которых является четкая линейная зависимость между хронотипами. В таком случае соматическая патология приобретает нелинейную зависимость и укладывается в концепцию «циркадного резонанса» – наименьшая заболеваемость по разным соматическим патологиям стабильно ассоциирована

Таблица 1

Выраженная в процентах относительная заболеваемость с различной превалирующей коморбидной нозологией по 4-м вариантам хронотипа ( дополнительный анализ данных UK BioBank, включающим более 430 тысяч англичан в возрасте 38-73 лет, по Knutson & von Schantz, 2018).

Превалирующая коморбидная нозология (КН)	ЧУТ	УУТ	УВТ	ЧВТ
Кардиоваскулярная	106.0773	98.0663	97.23757	99.72376
Диабет	108	88	98	124
Неврологическая	95.74468	96.80851	102.1277	114.8936
Эндокринная (кроме диабета)	101.5873	98.4127	100	106.3492
Почечная	102.1739	100	95.65217	100
Дыхательная	99.38272	93.82716	101.8519	116.6667
Мышечноскелетная	102.7907	97.2093	100	103.7209
Желудочно-кишечная	97.94521	96.57534	103.4247	109.589
Психологическая	82.43243	87.83784	116.2162	151.3514
Среднее по всем КН	99.57048	95.19302	101.6122	114.0327
Среднее по соматическим КН	101.7127	96.11241	99.78674	109.3679

ЧУТ – четкий утренний тип; УУТ – умеренный утренний тип; УВТ – умеренный вечерний тип; ЧВТ – четкий вечерний тип.

не с четким (маргинальным), а с умеренным утренним хронотипом (вероятными обладателями наиболее точного tau). При этом различия между обладателями четкого и умеренного утреннего хронотипа являются достоверными (p = 0.01), рис. 1. Указанная тенденция наиболее отчетливо проявляется в случае диабета и другой эндокринной патологии, сохраняясь для ды- хательной, желудочно-кишечной и мышечно-скелетной патологий. Интерес представляет также инверсия закономерности по кардиоваскулярной и почечной патологии, для которой наибольшая заболеваемость напротив присуща крайним утренним вариантам. Для неврологической патологии сохраняется обратная линейная тенденция, наиболее четко проявляющаяся

A

B

C

D

Рис. 1. Хронотип и коморбидная патология (дополнительный анализ на основе данных UK BioBank, включающим более 430 тысяч англичан в возрасте 38-73 лет (по Knutson & von Schantz, 2018)

Однонаправленный тренд роста заболеваемости от утренних к вечерним хронотипам прослеживается для ведущей коморбидной патологии «психологические расстройства» («psychological disorders»), пунктирная линия (А). Соматическая патология восьми различных нозологий (B), как и вся общая заболеваемость (С) лишены подобной линейной зависимости. При исключении из расчетов заболеваемости «психологические расстройства», отличительной особенностью которых является линейная зависимость между хронотипами, вся соматическая патология приобретает нелинейную зависимость и укладывается в концепцию «циркадного резонанса» – наименьшая заболеваемость стабильно ассоциирована с умеренным утренним хронотипом (вероятными обладателями наиболее точного внутреннего циркадного периода, tau). Причем различия средней относительной заболеваемости соматической патологией между обладателями четкого и умеренного утреннего хронотипа становятся достоверными (p = 0.01; двусторонний тест Стьюдента) (D). По абсциссе слева направо: четкий утренний тип (ЧУТ, DMT); умеренный утренний тип (УУТ, MMT); умеренный вечерний тип (УУВ, MET); четкий вечерний тип (ЧВТ, DЕT).

для психологических патологий, хотя и выраженная в меньшей степени.

Данное наблюдение служит аргументом в пользу скорее биологического, нежели социального обоснования взаимосвязи между хронотипом и соматической патологией. Оно также предполагает разноплановую природу взаимосвязи хронотипиче-ских особенностей с психологическими расстройствами и соматической патологией.

Интересно, что tau также имеет достоверные половые различия (Duffy et al, 2011): у женщин средний tau ближе к точному значению 24 часа, рис. 2, что примечательно, учитывая большую среднюю продолжительность жизни женщин (Austad & Fischer, 2019). Но если гипотеза циркадного резонанса верна для обоснования половых отличий по продолжительности жизни, то качество сна в данном случае, по-види-мому, не играет роли, т.к. нарушения сна в большей мере свойственны женскому полу (Zhang & Wing, 2006; Bailey & Silver, 2014).

Аналогично, во многих работах было отмечено, что женщины в большей мере являются представителями утренних хронотипов (Adan & Natale, 2002;

Bailey & Silver, 2014; Hu et al, 2016). Однако, хронотип в отличие от tau , который практически не меняется с возрастом (Duffy et al, 2001), претерпевает значительные возрастные изменения в сторону более ранних (жаворонковых) вариантов (обзор в Hood & Amir, 2017). Любопытно, что изменение хронотипа с возрастом у мужчин и женщин происходит в разной степени: у мужчин изменения более значительны. После 40 лет хронотип мужчин, будучи исходно более «вечерним» становится в среднем более «утренним» (Duarte et al, 2014; Fischer et al, 2017). Данная закономерность, вероятно, обусловлена эпигенетическими факторами, прежде всего особенностями возрастной гормональной динамики (Bailey & Silver, 2014). Таким образом, взаимосвязь между tau и хронотипически-ми особенностями (приверженностью определенной фазе сна) лучше прослеживается на более ранних этапах онтогенеза, снижаясь с возрастом, что, в частности, было показано на примере других приматов (макак) (Zhdanova et al, 2011). Примечательно, что наиболее высокая стабильность tau свойственна мышам, имеющим более высокую амплитуду ЦР и большую продолжительность жизни (Gutman et al, 2011).

Рис. 2. Предполагаемая взаимосвязь точного циркадного периода tau с умеренным утренним хронотипом на примере половых особенностей.

Частотное распределение данных по внутреннему периоду tau предполагает, что обладатели наиболее точных часов, вероятно, соответствуют умеренному утреннему хронотипу ( A ). Женщины, имеющие в среднем более высокую среднюю продолжительность жизни, также являются и обладателями в среднем более точных БЧ (tau = 24.09 ± 0.2 часа), чем мужчины (tau = 24.19 ± 0.2 часа), p < 0.01 ( B ) (по Duffy et al, 2011). Вертикальной линией отмечена частота точного tau = 24 часа.

Любопытно, взаимосвязь между оптимальной для большинства людей продолжительностью сна и заболеваемостью, с одной стороны, также носит U-образный характер, возрастая у крайних вариантов – прежде всего, при длительности сна менее 6 и более 9 часов (Ferrie et al, 2007; Yin et al, 2017). С другой стороны, характер U-образной кривой отличен от нормального распределения и также имеет выраженные межполовые различия (Ferrie et al, 2007).

Значительный интерес представляют дальнейшие исследования индивидуальных генетических особенностей, определяющих устойчивость к факторам десинхронизации. В частности, интересно в какой мере резко выраженные индивидуальные различия ответной реакции в виде снижения продукции мелатонин на свет одинаковой интенсивности (Phillips et al, 2019), могут быть взаимосвязаны с tau и с определенным хронотипом.

В современной индустриальной цивилизации человек активно манипулирует световым фактором. Типичными последствиями таких манипуляций является существенный дефицит дневного и избыток ночного света (Roenneberg et al, 2003; Yetish et al, 2015; Dijk & Skeldon, 2015;

Рис. 3. Возможное соотношение величины tau к баллам хронотипа шкалы MEQ по Horne & Ostberg (на основе данных Duffy et al, 2011, см. также рис.2 и Horne & Ostberg, 1976 ).

Частотное распределение данных по внутреннему периоду tau предполагает, что обладатели точного tau = 24 ч. соответствуют баллу MEQ57 (~56.83). Вертикальной линией отмечен tau = 24 часа.

вопрос – в какой мере люди с разным хронотипом и различными особенностями генетического полиморфизма, определяющего их эндогенный tau, осуществляют контроль (самоограничение) внешнего светового воздействия. Возможно, существуют варианты, склонные спонтанно выбирать физиологически оптимальные режимы хроногигиены, подобно тому, как некоторые долгоживущие линии мышей спонтанно выбирают оптимальный режим питания ограниченной калорийности (Froy & Miskin, 2010).

Какой хронотип ближе к tau24 (“самым точным биологическим часам”)?

Приблизительный пересчет баллов теста на хронотип по шкале опросника (Morningness-Eveningness Questionnaire, MEQ) по Horne-Ostberg и среднего периода, tau может быть основана на том, что согласно полученным в наиболее репрезентативном исследовании (Duffy et al, 2001) данным, диапазон фактически зарегистрированных значений tau у человека составляет 23.5-25.7 ч, а шкала хронотипов MEQ (Horne & Ostberg, 1976) варьирует в диапазоне от 86 (крайние утренние) до 16 (крайние вечерние) варианты хронотипа. Так как более позднее положение фазы соответствует более медленным БЧ (Toh et al., 2001; Duffy et al, 2001; Merrow et al, 2005), то гипотетическая линейная зависимость хронотипа и tau может иметь вид, представленный на рис.3. Частотное распределение данных по внутреннему периоду tau предполагает, что обладатели точного tau = 24 ч. соответствуют баллу MEQ = 57. Таким образом, величина отклонения от MEQ57 ( Δ MEQ57 ) в некоторой мере может характеризовать предполагаемое отклонение от точного tau = 24 ч.

Данные корреляционной связи между ΔMEQ57 и результатами анкетирования физического и психического здоровья по опроснику IF-36 (Brazier et al, 1992; Амир-джанова и др, 2008), а также индексом массы тела (ИМТ), полученные нами по результатам исследования 100 студентов первого курса медицинского университета, косвенно подтверждают высказанную выше гипотезу. Примечательно, что наиболее выраженная достоверная корреляция наблюдалась между ΔMEQ57 и ИМТ (p = 0.028). Стоит отметить, учитывая результаты, представленные в таблице 1, что наиболее выраженная связь низкой заболеваемости у представителей умеренного утреннего хронотипа ассоциирована с ди-