Компьютерный метод под названием ZeitZeiger, который использует образец крови для точного прогнозирования циркадного времени – времени суток в соответствии с биологическими часами человека, – описан в новом исследовании, опубликованном в журнале с открытым доступом Genome Medicine.
Доктор Джейк Хьюги, ведущий автор из Медицинской школы Университета Вандербильта, США, сказал: "Наше исследование демонстрирует метод прогнозирования «внутреннего» времени суток человека, который в конечном итоге может быть использован для диагностики и мониторинга циркадных расстройств и нарушений сна, а также для персонализации лечения."
Доктор Хьюи добавил: "Это первое исследование, в котором используются данные об экспрессии генома многих людей для разработки биомаркера циркадных часов в крови человека. Предыдущие попытки контролировать циркадные часы в тканях человека были основаны на небольшом количестве людей и / или небольшом наборе предварительно отобранных генов. Наш метод ZeitZeiger использует 15 генов из генома человека для прогнозирования циркадного времени."
Исследователи были удивлены, обнаружив, что 13 из этих 15 генов не являются «основными» генами циркадных часов человека. Основные гены необходимы для генерации и регулирования циркадных ритмов. Их можно сравнить с шестернями механических часов. Доктор Хью сказал: "Большинство генов, отобранных для ZeitZeiger, похоже, являются выходами часов; то есть они не шестеренки, управляющие часами, а стрелки, указывающие время. Это показывает, что, имея данные почти для каждого гена в геноме, алгоритм может выяснить, какой набор генов дает наилучшие прогнозы, даже если они не являются генами основных часов."
Помимо прогнозирования циркадного времени, исследователи продемонстрировали, что ZeitZeiger также может использоваться для демонстрации того, как нарушения циклов сна-бодрствования и свет-темнота влияют на циркадные часы. Ритмы, создаваемые циркадными часами, сильно различаются у разных людей в любое время суток, и они часто нарушаются современной средой, например, из-за сменной работы или уменьшения воздействия солнечного света. Циркадная дисфункция связана с такими состояниями, как рак, депрессивное расстройство и ожирение.
Знание циркадных ритмов человека может быть использовано для оптимизации времени терапевтических вмешательств, что известно как хронотерапия. Само улучшение циркадной функции, называемое хрономедициной, также может принести пользу здоровью человека. Но и хронотерапия, и хрономедицина зависят от способности контролировать состояние циркадных часов человека. Современные методы, которые включают измерение мелатонина – гормона, который помогает контролировать циклы сна и бодрствования, – требуют нескольких образцов и непрактичны для широкого использования, по словам исследователей.
Чтобы научить ZeitZeiger предсказывать суточное время на основе генов, выраженных в образцах крови, и анализировать, как на циркадные часы влияют нарушения сна и циклы свет-темнота, доктор Хьюи и его команда использовали 498 общедоступных образцов от 60 человек, у которых была кровь. нарисованные либо в течение дня при нормальном цикле сон-бодрствование и свет-темнота (элементы управления), либо после сбоев в их цикле сон-бодрствование и свет-темнота (состояние). Используя свой алгоритм машинного обучения для анализа РНК в образцах крови, исследователи смогли идентифицировать набор генов, способных точно предсказывать циркадное время человека. Хотя это исследование было сосредоточено на экспрессии генов в крови в целом по геному, предыдущая работа исследователей на мышах показывает, что ZeitZeiger можно использовать в любых тканях.
Доктор Хью сказал: "Для фундаментальных исследований этот подход может помочь нам понять, как циркадные часы каждого человека работают немного по-разному. Однако важно отметить, что любое из этих приложений должно пройти валидацию в проспективных исследованиях."