Юрген Вальтер Людвиг Ашофф (25 января 1913 г. – 12 октября 1998 г. [1] ) был немецким врачом , биологом и поведенческим физиологом. Вместе с Эрвином Бюннингом и Колином Питтендригом он считается соучредителем области хронобиологии . [1]
Работы Ашоффа в области хронобиологии представили идеи о световых взаимодействиях в циркадных ритмах ночных и дневных видов, обобщенные в правилах Ашоффа.
Ашофф родился во Фрайбурге-им-Брайсгау , пятый ребенок патолога Людвига Ашоффа (известного открытием узла Ашоффа-Тавара или атриовентрикулярного узла ) и его жены Клары. Он вырос в либеральном, но морально строгом мире прусской академии. [1] После получения аттестата зрелости в гуманистической средней школе он — по его собственному утверждению «не имея особого интереса» — изучал медицину в Боннском университете , где он присоединился к Burschenschaft (братству) Alemannia Bonn. Научная карьера Ашоффа началась в 1938 году, когда он переехал в Геттингенский университет, чтобы изучать физиологию терморегуляции у Германа Рейна. В 1944 году он получил venia legendi . Затем в 1949 году он стал профессором Геттингенского университета. [2]
В 1952 году его наставник Герман Рейн был назначен директором Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге . [1] Рейн пригласил Ашоффа в Институт в качестве сотрудника для изучения циркадных ритмов у людей, птиц и мышей. [1] Затем Ашофф перешел в Институт поведенческой физиологии Макса Планка в Андексе, чтобы работать с Густавом Крамером , который продемонстрировал компенсированную по времени навигацию по солнечному компасу у птиц, и Эрихом фон Хольстом , который изучал физиологические осцилляторы. [2] С 1967 по 1979 год он был директором Института поведенческой физиологии Макса Планка и профессором в Мюнхене . Ашофф был научным членом и членом Коллегии Института поведенческой физиологии Макса Планка, а также сенатором Общества Макса Планка с 1972 по 1976 год.
Ашофф был известен как превосходный лектор с громким голосом, и он проявлял особый интерес к созданию научного сообщества и поощрению молодых ученых. [2] [3] После выхода на пенсию в 1983 году и возвращения во Фрайбург Ашофф продолжил свою научную работу в форме дальнейших публикаций. Юрген Ашофф умер в 1998 году в возрасте 85 лет после непродолжительной болезни, всего через десять месяцев после смерти его любимой жены Хильды. [2]
Ашофф заложил прочную основу для области хронобиологии посредством своих исследований циркадных ритмов и их увлечения во многих различных организмах, таких как крысы, мыши, птицы, макаки , обезьяны и люди. Его ранние исследования были сосредоточены на понимании свойств циркадных ритмов и того, как эти ритмы могут меняться в ответ на стимулы. Его более поздние работы были более применимы к патологиям, таким как психиатрические расстройства и опасности сменных графиков работы , которые могут возникнуть в результате манипулирования определенными Zeitgebers . [1]
Ашофф начал свои исследования физиологии терморегуляции путем самоэкспериментов. Он обнаружил, что существует 24-часовой ритм изменения температуры тела. [1] После этих экспериментов он начал исследовать основные механизмы циркадного ритма. В 1950-х годах он встретился и начал сотрудничать с Эрвином Бюннингом и Колином Питтендригом. Ашофф начал дальнейшие эксперименты, изучая циркадные ритмы птиц и мышей в постоянных условиях. Его результаты привели к выводу, что циркадные колебания биологических процессов являются врожденными и не требуют предварительного воздействия 24-часового дня для своего проявления. [1]
Ашофф также применил эти методы к экспериментам с человеческими циркадными ритмами, построив подземный «бункер», чтобы изолировать людей от любых внешних экологических сигналов. Испытуемым, помещенным в этот бункер, разрешалось включать и выключать свет в соответствии с их собственными внутренними ритмами. После более чем двадцати лет отслеживания циклов сна-бодрствования, температуры тела, диуреза и других физиологических и поведенческих показателей Ашофф и его коллега Рютгер Вевер пришли к выводу, что у людей есть эндогенные циркадные осцилляторы. [1] [4] Это открытие стало основой для нашего понимания многих медицинских проблем, таких как старение , нарушения сна и смена часовых поясов . [1]
Колин Питтендри обычно считается первым исследователем, изучавшим хронобиологию в наше время. Он изучал плодовых мушек в 1950-х годах, а его ученик Юрген Ашофф изучал людей в 1960-х годах. [5] В 1960 году Ашофф ввел термин Zeitgeber (от немецкого «дающий время» или «синхронизатор») для обозначения внешних экологических сигналов, которые синхронизируют эндогенный осциллятор с экологическим циклом. [6] Чтобы исследовать свойства естественных эндогенных осцилляторов, Ашофф подвергал организмы постоянным условиям без сигналов Zeitgeber (либо постоянный свет, либо постоянная темнота). Наблюдения из этой статьи были сформулированы в фундаментальные правила биологических часов.
Эксперименты Ашоффа, проведенные в 1960 году, показали, что при постоянных условиях освещенности фаза активности укорачивается у ночных организмов и удлиняется у дневных. Эти тенденции были названы альфа-сжатием и альфа-расширением соответственно. [6] В память о своем наставнике Питтендрай назвал это наблюдение «правилом Ашоффа» в другой публикации 1960 года, и это обозначение сохраняется и по сей день. [7]
Правило Ашоффа связано с моделью параметрического увлечения, которая предполагает непрерывные изменения фазы. Это означает, что паттерны активности подстраиваются под паттерны окружающего света. [8] Параметрические и непараметрические концепции относятся к природе действия света, будь то непрерывное или тоническое в случае параметрического увлечения или дискретное или фазовое в случае непараметрического увлечения. Наводящими на мысль о фазовых эффектах являются большие фазовые сдвиги, часто вызываемые очень короткими световыми импульсами, в то время как изменения периода в результате различной постоянной интенсивности света являются доказательством существования тонических эффектов. [9] Ашофф и Питтендрих подошли к этой области с различными моделями того, как увлекаются осцилляторы, что привело к различным прогностическим моделям. [10] Параметрическая модель Ашоффа утверждает, что увлечение происходит посредством постепенных изменений в часах, которые адаптируются к новому циклу свет-темнота. Хотя эта модель больше не признается единственной объективно правильной в этой области, Серж Даан предположил в 1998 году, что Ашофф внес качественный вклад, который предоставляет ценные альтернативы несоответствиям в текущей области. [10]
Ниже перечислены термины, необходимые для понимания правила Ашоффа: [11] [12] [13] [14]
4 правила Ашоффа являются общими, которым следуют большинство дневных и ночных организмов. Главной основой правила Ашоффа были дифференциальные реакции в свободно протекающие периоды на DD и LL, позже расширенные до Tau=f(LL-интенсивность). [15] Эти правила дают объяснение того, как свободно протекающий период (Tau 'τ') организма немного отклоняется от 24-часового периода. [16]
Правило 1: Период свободного функционирования ночного организма обычно составляет менее 24 часов. 𝜏 DD < 24. [17]
Правило 2: Период свободного функционирования дневного организма обычно составляет более 24 часов. 𝜏 LL > 24 [17]
Правило 3: Увеличение интенсивности света в LL обычно увеличивает продолжительность периода свободного бега у ночных организмов. [17]
Правило 4: Увеличение интенсивности света в LL обычно приводит к уменьшению продолжительности периода свободного движения у дневных организмов. [17]
Чтобы помочь с пониманием, ночной вид, такой как домовые мыши, которые содержатся в постоянно темной среде, будет демонстрировать период свободного бега короче 24 часов (первое правило Ашоффа). Напротив, дневной вид, такой как скворец, который содержится в постоянно темной среде, будет демонстрировать период свободного бега дольше 24 часов (второе правило Ашоффа). [18]
Из этих правил есть несколько исключений. [15] Например, некоторые виды жужелиц и белок нарушают первое правило Ашоффа, не производя прогнозируемых изменений в своих свободно текущих ритмах в ответ на постоянный свет (LL). Некоторые членистоногие также, по-видимому, нарушают третье правило Ашоффа, однако это не точно, поскольку предшествующая история освещения может вызывать долгосрочные последствия для циркадного периода и изменять наблюдаемое соответствие правилам Ашоффа. [19]
Большая часть более поздних работ Ашоффа включала тесты на людях. Он обнаружил, что отсутствие цикла свет-темнота не препятствует людям подстраиваться. Скорее, знание времени суток из социальных сигналов, таких как регулярное время приема пищи, достаточно для подстройки. [20] Ашофф также обнаружил, что различные циркадные выходы, такие как температура тела и локомоторная активность, могут быть либо внутренне синхронизированы, либо десинхронизированы в зависимости от силы Zeitgeber. В постоянной темноте ректальная температура, начало и продолжительность сна становились десинхронизированными у некоторых субъектов, а ректальная температура во время начала сна коррелировала с продолжительностью периода сна. Он выдвинул гипотезу, что внутренняя десинхронизация, фазовые различия, возникающие из-за различий в периодах между двумя циркадными выходными процессами, могут быть связаны со многими психиатрическими расстройствами. [21]
Некоторые из более поздних работ Ашоффа также объединили его первоначальный интерес к терморегуляции с его работой по циркадному ритму. Он обнаружил циркадный ритм в теплопроводности, измерении теплопередачи от тела. [22] Минимальная проводимость у млекопитающих и птиц колеблется с циркадной фазой, с широким диапазоном значений проводимости. Это позволяет животным выделять тепло в период активности, когда у них более высокий базальный метаболизм, а также сохранять тепло в период покоя, когда у них более низкий базальный метаболизм. [22] У птиц циркадный ритм проводимости в основном является результатом циркадных скоростей потери тепла путем испарения. У млекопитающих проводимость колеблется с циркадными ритмами в теплоустойчивости тела и скорости кровотока. [22]
Продолжая свои исследования температуры, он обнаружил, что виды млекопитающих могут подстраиваться под температурный цикл, но эта температура является слабым регулятором ритма по сравнению с циклом свет-темнота. [23]
Ашофф описал маскирующие сигналы как входы, которые обходят пейсмекер, но тем не менее приводят к модуляции циркадного поведения, которое также контролируется пейсмекер. [24] Параметрическое увлечение — это увлечение, которое не является результатом мгновенного изменения фазы, как это регулируется кривой фазового отклика, как в случае маскирующих сигналов. Термин, который Ашофф использовал для этого явления, — «возбуждение» из-за нефотонных цайтгеберов. Данные экспериментальных анализов показывают связь между эффектами маскировки и фазой, что приводит к эффекту «демаскировки», при котором животные, аритмичные в постоянных условиях, имеют свободно текущие периоды в высокочастотных циклах свет-темнота. Ашофф пришел к выводу, что осциллятор или циркадные часы «интегрируются» по интенсивности света, которому они подвергались, а затем реагируют изменением периода активности, как это наблюдается у зеленушек, зябликов, хомяков и чижей. Однако Ашофф пришел к выводу, что непараметрические эффекты, в отличие от параметрических, являются основным источником увлечения. [25]
Юрген Ашофф и Рютгер Вевер создали эксперимент , в котором участники жили в бункере в течение нескольких недель подряд, с ограниченным или отсутствующим доступом к внешнему миру, чтобы измерить влияние на функционирование организма, активность сна-бодрствования и восприятие времени. Участников просили нажимать на звонок каждый час и одну минуту после каждого часа. Ученые обнаружили, что образцы мочи и ректальные пробы, а также циркадные ритмы имели период свободного течения в 25 часов.
Влияние интенсивности света на циркадный период измерялось путем изменения освещенности от 40 до 200 люкс. Увеличение интенсивности света может привести к сокращению периода на 0,7–1 час.
Десинхронизация температуры тела от циркадного периода наблюдалась у некоторых участников сразу после входа в бункер или через несколько недель. Температура тела поддерживала приблизительно 25-часовой ритм, в то время как циклы сна и бодрствования значительно колебались. Это привело к гипотезе, что у людей может быть несколько циркадных часов. [26]
Периоды свободного бега у людей, как полагают, варьируются от 23,56 до 24,7 часов, [27] и предполагается, что большее значение, найденное в этом эксперименте, связано с воздействием света. Модель двойного циркадного водителя ритма была обновлена до системы центральных и периферических часов. [28]
Ашофф опубликовал статьи как с Питтендригом, так и с Сержем Дааном , последний также был ключевым исследователем в области хронобиологии. [10] В своей поздней работе Даан попытался примирить идею параметрического увлечения света, предложенную Ашоффом, с непараметрической моделью увлечения, предложенной Питтендригом. Результаты статьи 2008 года из лаборатории Даана предоставляют дополнительные доказательства модели параметрического увлечения Ашоффа. [29] Даан скончался в 2018 году.
Работа Ашоффа вдохновила на исследования, связанные с интенсивностью синего света, молекулярной основой циркадных ритмов и моделированием СХЯ.
В Китайской академии наук в Пекине, Китай, в лаборатории Ван [30] было проведено исследование для определения роли синего света во взаимодействиях CRY2 и PRR9 в растениях, чтобы создать молекулярную основу для правила Ашоффа. CRY2 стимулируется синим светом для непосредственного взаимодействия с PRR9. Это предотвращает взаимодействие PRR9 с корепрессорами TPL/TPR и нисходящими киназами PPK. Корепрессор и нисходящие киназы фосфорилируют PRR9, помогая регулировать ритмы. В эксперименте по определению связи между различной интенсивностью света и мутантами PRR9 было обнаружено, что как PRR9-1, так и PRR90x-1 имели изменения фотопериодов при высокой освещенности. Считается, что это изменение связано с активностью CRY2. Было также обнаружено, что CRY2 блокирует взаимодействия PRR9-TPL с помощью GFP, помечающего область гомологии фотолиазы на CRY2. Домен PHR CRY2 сам по себе может ко-иммунопреципитировать полноразмерный PRR9, что означает, что CRY2 может быть использован для выделения белка. Кроме того, обнаружено, что CRY2 ингибирует фосфорилирование PRR9 с использованием обработки лямбда-фосфатазой. Фосфорилирование PRR9 имеет решающее значение для циркадных ритмов. Синий свет стимулирует активность CRY2, тем самым изменяя фосфорилирование PRR9 и синхронизацию циркадных ритмов.
В лаборатории Фостера [31] в Имперском колледже в Лондоне, Великобритания, было проведено исследование для определения молекулярной основы правила Ашоффа. Поведение бега колеса собиралось у мышей в DD или LL в течение 50 дней, и обилие четырех генов и белков собиралось каждые четыре часа с использованием гибридизации in situ и иммуногистохимии. Исследователи обнаружили, что в DD сообщения mPer1, mPer2, mCry1 и mCry2 демонстрировали ритмическое поведение, и их соответствующие уровни белков также демонстрировали ритмическое поведение. В LL mPer1, mPer2, mCry1 и mCry2 демонстрировали ритмическое поведение, но mCry2 имел значительно измененное поведение по сравнению с его ритмом DD. Кроме того, mPER1, mCRY1 и mCRY2 все демонстрировали ритмическое поведение, но mPER2 был конститутивно экспрессирован. Фазово-контрастная микроскопия использовалась для того, чтобы показать, что mPER2 был сконцентрирован в ядре во время LL, как это происходит в DD во время CT12. В условиях DD средний период у мышей составил 23,26 ± 0,05 ч. В условиях LL средний период у мышей составил 24,47 ± 0,06 ч. У мышей LL период был значительно длиннее. Это исследование подтверждает идею о том, что mPER2 способствует задержкам фаз. Кроме того, оно предполагает, что свет не действует на транскрипцию mPER2 или трансляцию mPER2 в ядро. Скорее, свет ингибирует другой механизм, который обычно вызывает деградацию mPER2.
В Университете Авейру, Португалия, в лаборатории Юна [32] исследователи определили, что организация ядра-оболочки супрахиазматических ядер (модель Курамото) способствует предвосхищению и диссоциации относительно активности. Предыдущие исследования показывают, что оболочка SCN (вентральная) плотная с нейронами аргинин-вазопрессина, а ядро обладает вазоактивными кишечными полипептидными нейронами. [4] Было установлено, что SCN поддерживает первое правило Ашоффа о сокращении периода свободного хода в DD и удлинении периода в LL. Модель Курамото учитывает периоды свободного хода, исходящие от отдельных клеток, а также рассматривает популяционную активность, исходящую от нейронов, поскольку они демонстрируют почти идентичные паттерны. В увлекаемом состоянии активность ядра параллельна внешнему стимулу. Однако оболочка достигает пика раньше ядра. Это позволяет системе демонстрировать предвосхищение внешних событий, достигая пика в два отдельных момента времени и выстраивая в очередь периферические часы входящего сигнала. Показано, что разность фаз оболочки (ψ d- ψ v ) пропорциональна разнице между пиковой активностью между ними.
На ужине, устроенном в честь Ашоффа на Гордоновской конференции по хронобиологии в 1991 году, профессор Тилл Рённеберг начал традицию вручения «Премии правила Ашоффа» ученым, которые продвинули область хронобиологии. Впервые она была вручена профессору Мароли К. Чандрашекере в 1991 году. [33] Получатели выбирают победителя в следующем году и должны следовать двум правилам:
{{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link)«Колин Питтендри, Юрген Ашофф и естественная адаптация циркадных систем». Лекция Колина С. Питтендри, 9 мая 1998 г., доступ получен 20 апреля 2011 г.{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)