Universiteit Leiden

Europees licht op de biologische klok

In januari is EUCLOCK gestart: 34 onderzoekers van 29 verschillende universiteiten en bedrijven uit 11 Europese landen gaan onderzoeken hoe de biologische klok wordt gelijkgezet als reactie op licht. De Europese Gemeenschap heeft hiervoor 16 miljoen euro beschikbaar gesteld. Nederlandse deelnemers zijn het LUMC, de Rijksuniversiteit Groningen, het Erasmus Medisch Centrum en het Personal Health Institute International.

Dr. Joke Meijer, neurofysiologe binnen moleculaire celbiologie in het LUMC, is de Leidse onderzoeksleider. Een interview.

Waarom dit project?
Meijer: 'De biologische klok in de hersenen is een aanpassing van mens en dier aan de draaiing van de aarde om haar as. Door die draaiing hebben we te maken met dag en nacht. Door de draaiing van de aarde om de zon ontstaan er bovendien seizoenen. De biologische klok stelt ons in staat om optimaal om te gaan met deze wisselingen in de omgeving, en om te anticiperen op veranderingen die voorspelbaar zijn. De meeste dieren krijgen bijvoorbeeld hun jongen in het voorjaar, ook al is de draagtijd voor verschillende dieren heel uiteenlopend.

Ook bij mensen zijn er nog duidelijke seizoensritmen aanwezig, en een groot aantal lichaamsfuncties vertonen 24-uurs ritmen: hormoonspiegels, prestatievermogen, genexpressie, activiteit van verschillende hersengebieden en organen. De biologische klok is genetisch uitgerust om een ritme van ongeveer 24 uur te genereren. Bij avondmensen is dit ritme trouwens wat langer dan bij ochtendmensen.

Maar de klok moet wel bijgestuurd worden door licht, anders zouden onze ritmen langzaam uit de pas gaan lopen met de omgeving. De klok heeft de lichtinformatie bovendien nodig om de daglengte te meten, en daarmee om de seizoenen te bepalen. Dit project is helemaal gericht op de aanpassing van de klok aan licht.'

de meeste dieren
krijgen hun jongen
in het voorjaar

Wat weten we al, en wat nog níet over de aanpassing van de biologische klok?
'In de laatste tien jaar is erg veel bekend geworden over de moleculaire basis van de klok. Er zijn klokgenen geïdentificeerd die, in samenspel met hun eiwitproducten, verklaren hoe een ritme geproduceerd kan worden met een relatief lange periode van 24 uur. Het is ook bekend dat enkele van de klokgenen op licht reageren. Bij mensen en andere zoogdieren komt die lichtinformatie uitsluitend via het netvlies, de ogen dus, binnen.

Er is bovendien een heel nieuw pigment gevonden dat in het netvlies ligt, het zogenoemde melanopsine. Dit pigment legt de verbinding met de biologische klok. Melanopsine zit niet in de staafjes en de kegeltjes die we gebruiken om te zien, maar gewoon in de zenuwcellen zelf. Heel uitzonderlijk hoor. Melanopsine vertoont geen gewenning aan licht, en is dus langdurig in staat om licht waar te nemen. Zodoende kan de daglengte geregistreerd worden. Melanopsine is trouwens ook betrokken bij onze pupilreflex.

Wat er nog niet bekend is? Ha, dat weet je nooit! Maar er zijn een paar duidelijke vragen en doelstellingen. Er is in de afgelopen tien jaar zoveel moleculair onderzoek gedaan, dat we op moleculair niveau inmiddels meer weten dan op fysiologisch niveau. In dit project willen we in ieder geval de vertaalslag proberen te maken tussen datgene wat zich moleculair afspeelt en wat op een hoger integratieniveau gebeurt. Systems Biology van de biologische klok, heet dat.

Daarnaast, en dat is een heel ander soort doel, willen we het inzicht dat verkregen is bij de fruitvlieg en bij knaagdieren toetsen bij de mens. En we willen nog verder gaan; bij mensen willen we bijvoorbeeld ploegendienstschema's opstellen aan de hand van deze kennis, en deze kritisch toetsen.

In de derde plaats willen we gebruik maken van meer natuurlijke lichtbronnen. Kijk, aan de ene kant wil je natuurlijk zoveel mogelijk variabelen in de hand houden in een laboratoriumsituatie, om het mechanisme van een systeem te onderzoeken. Je werkt in een laboratorium bijvoorbeeld met abrupte afwisselingen van licht en donker. Maar in dit project willen we aan de andere kant een voorzichtige analyse maken van een meer natuurlijke verlichting, omdat er aanwijzingen zijn dat enkele klokgenen behoorlijk verschillend reageren als het licht langzaam in plaats van snel aangaat, zoals tijdens de ochtend schemer gebeurt.'

Hoe gaat de samenwerking concreet in zijn werk? Dat managementschema op de site van Euclock ziet er indrukwekkend uit, maar wat doen de onderzoekers precies met elkaar?

'Dat managementschema is ingewikkelder dan ons onderzoek! Maar dat hoeft het werk niet in de weg te staan. De onderzoekers werken goed samen. In Nederland bijvoorbeeld hebben we een grove indeling van een groep die gedragswerk doet in Groningen, een groep die moleculair werk doet in Rotterdam, en de neurofysiologiegroep op de afdeling Moleculaire Celbiologie van het LUMC. In Rotterdam worden bijvoorbeeld bepaalde constructen gemaakt, zodat de expressie van genen zichtbaar kan worden.

Hoe past de biologische klok zich aan een verschoven tijdzone aan?

Wij willen vervolgens de genexpressie van cellen volgen en tegelijkertijd de elektrische activiteit van deze cellen kunnen meten.Elektrische activiteit is het signaal waar zenuwcellen in de hersenen mee communiceren, de taal van de hersencellen zeg maar, dus dat is een heel functioneel signaal.'

Waar doen u en uw LUMC-medewerkers zelf onderzoek naar?
'Wij zullen vooral onderzoek doen naar het vermogen, en trouwens ook het onvermogen, van de biologische klok om zich aan te passen aan een verschoven tijdzone, zoals je dat tijdens een ploegendienst meemaakt. Bovendien gaan we onderzoek doen naar de manier waarop de klok de tijd van het jaar registreert. Wij willen weten wat individuele neuronen van de klok doen in de zomer, en wat ze doen in de winter. Veranderen ze van golfvorm bijvoorbeeld? Of veranderen ze niet van golfvorm, maar in hun onderlinge organisatie in de tijd? Is het vermogen om de daglengte te meten een eigenschap die op het niveau van een individueel neuron aanwezig is, of is het een eigenschap die pas ontstaat als er een neuronaal netwerk is? Dat vind ik een interessante vraag.'

Euclock
Moleculaire celbiologie LUMC
Artikel Biologische klok reageert als tweetrapsraket

Bron van de foto op de voorpagina, herhaald aan het begin van dit artikel:
VU Amsterdam, natuurkunde.

31 januari 2006/HP

Europees licht op de biologische klok
In januari is EUCLOCK gestart: 34 onderzoekers van 29 verschillende universiteiten en bedrijven uit 11 Europese landen gaan onderzoeken hoe de biologische klok wordt gelijkgezet als reactie op licht. De Europese Gemeenschap heeft hiervoor 16 miljoen euro beschikbaar gesteld. Nederlandse deelnemers zijn het LUMC, de Rijksuniversiteit Groningen, het Erasmus Medisch Centrum en het Personal Health Institute International.
Dr. Joke Meijer, neurofysiologe binnen moleculaire celbiologie in het LUMC, is de Leidse onderzoeksleider. Een interview. Waarom dit project? Meijer: 'De biologische klok in de hersenen is een aanpassing van mens en dier aan de draaiing van de aarde om haar as. Door die draaiing hebben we te maken met dag en nacht. Door de draaiing van de aarde om de zon ontstaan er bovendien seizoenen. De biologische klok stelt ons in staat om optimaal om te gaan met deze wisselingen in de omgeving, en om te anticiperen op veranderingen die voorspelbaar zijn. De meeste dieren krijgen bijvoorbeeld hun jongen in het voorjaar, ook al is de draagtijd voor verschillende dieren heel uiteenlopend. Ook bij mensen zijn er nog duidelijke seizoensritmen aanwezig, en een groot aantal lichaamsfuncties vertonen 24-uurs ritmen: hormoonspiegels, prestatievermogen, genexpressie, activiteit van verschillende hersengebieden en organen. De biologische klok is genetisch uitgerust om een ritme van ongeveer 24 uur te genereren. Bij avondmensen is dit ritme trouwens wat langer dan bij ochtendmensen.
Maar de klok moet wel bijgestuurd worden door licht, anders zouden onze ritmen langzaam uit de pas gaan lopen met de omgeving. De klok heeft de lichtinformatie bovendien nodig om de daglengte te meten, en daarmee om de seizoenen te bepalen. Dit project is helemaal gericht op de aanpassing van de klok aan licht.'	de meeste dieren krijgen hun jongen in het voorjaar
Wat weten we al, en wat nog níet over de aanpassing van de biologische klok? 'In de laatste tien jaar is erg veel bekend geworden over de moleculaire basis van de klok. Er zijn klokgenen geïdentificeerd die, in samenspel met hun eiwitproducten, verklaren hoe een ritme geproduceerd kan worden met een relatief lange periode van 24 uur. Het is ook bekend dat enkele van de klokgenen op licht reageren. Bij mensen en andere zoogdieren komt die lichtinformatie uitsluitend via het netvlies, de ogen dus, binnen. Er is bovendien een heel nieuw pigment gevonden dat in het netvlies ligt, het zogenoemde melanopsine. Dit pigment legt de verbinding met de biologische klok. Melanopsine zit niet in de staafjes en de kegeltjes die we gebruiken om te zien, maar gewoon in de zenuwcellen zelf. Heel uitzonderlijk hoor. Melanopsine vertoont geen gewenning aan licht, en is dus langdurig in staat om licht waar te nemen. Zodoende kan de daglengte geregistreerd worden. Melanopsine is trouwens ook betrokken bij onze pupilreflex. Wat er nog niet bekend is? Ha, dat weet je nooit! Maar er zijn een paar duidelijke vragen en doelstellingen. Er is in de afgelopen tien jaar zoveel moleculair onderzoek gedaan, dat we op moleculair niveau inmiddels meer weten dan op fysiologisch niveau. In dit project willen we in ieder geval de vertaalslag proberen te maken tussen datgene wat zich moleculair afspeelt en wat op een hoger integratieniveau gebeurt. Systems Biology van de biologische klok, heet dat. Daarnaast, en dat is een heel ander soort doel, willen we het inzicht dat verkregen is bij de fruitvlieg en bij knaagdieren toetsen bij de mens. En we willen nog verder gaan; bij mensen willen we bijvoorbeeld ploegendienstschema's opstellen aan de hand van deze kennis, en deze kritisch toetsen. In de derde plaats willen we gebruik maken van meer natuurlijke lichtbronnen. Kijk, aan de ene kant wil je natuurlijk zoveel mogelijk variabelen in de hand houden in een laboratoriumsituatie, om het mechanisme van een systeem te onderzoeken. Je werkt in een laboratorium bijvoorbeeld met abrupte afwisselingen van licht en donker. Maar in dit project willen we aan de andere kant een voorzichtige analyse maken van een meer natuurlijke verlichting, omdat er aanwijzingen zijn dat enkele klokgenen behoorlijk verschillend reageren als het licht langzaam in plaats van snel aangaat, zoals tijdens de ochtend schemer gebeurt.' Hoe gaat de samenwerking concreet in zijn werk? Dat managementschema op de site van Euclock ziet er indrukwekkend uit, maar wat doen de onderzoekers precies met elkaar?
'Dat managementschema is ingewikkelder dan ons onderzoek! Maar dat hoeft het werk niet in de weg te staan. De onderzoekers werken goed samen. In Nederland bijvoorbeeld hebben we een grove indeling van een groep die gedragswerk doet in Groningen, een groep die moleculair werk doet in Rotterdam, en de neurofysiologiegroep op de afdeling Moleculaire Celbiologie van het LUMC. In Rotterdam worden bijvoorbeeld bepaalde constructen gemaakt, zodat de expressie van genen zichtbaar kan worden.	Hoe past de biologische klok zich aan een verschoven tijdzone aan?
Wij willen vervolgens de genexpressie van cellen volgen en tegelijkertijd de elektrische activiteit van deze cellen kunnen meten.Elektrische activiteit is het signaal waar zenuwcellen in de hersenen mee communiceren, de taal van de hersencellen zeg maar, dus dat is een heel functioneel signaal.' Waar doen u en uw LUMC-medewerkers zelf onderzoek naar? 'Wij zullen vooral onderzoek doen naar het vermogen, en trouwens ook het onvermogen, van de biologische klok om zich aan te passen aan een verschoven tijdzone, zoals je dat tijdens een ploegendienst meemaakt. Bovendien gaan we onderzoek doen naar de manier waarop de klok de tijd van het jaar registreert. Wij willen weten wat individuele neuronen van de klok doen in de zomer, en wat ze doen in de winter. Veranderen ze van golfvorm bijvoorbeeld? Of veranderen ze niet van golfvorm, maar in hun onderlinge organisatie in de tijd? Is het vermogen om de daglengte te meten een eigenschap die op het niveau van een individueel neuron aanwezig is, of is het een eigenschap die pas ontstaat als er een neuronaal netwerk is? Dat vind ik een interessante vraag.' Euclock Moleculaire celbiologie LUMC Artikel Biologische klok reageert als tweetrapsraket

Direct naar: