© المؤلفون 2024

اكتشاف موت الخلايا (2024)10:199;https://doi.org/10.1038/s41420-024-01960-1

إن الدورة الناتجة عن دوران الأرض قد أدت إلى تطور الإيقاعات البيولوجية تقريبًا لجميع أشكال الحياة على الأرض [1]. هذه الآلية المحافظة على الوقت تطورية تمكن الكائنات الحية من التكيف مع البيئة المتغيرة باستمرار
[2,3]. في جوهرها، تشكل الساعة البيولوجية تسلسلًا تنظيميًا تلقائيًا لتعبير وتراكم وتحلل منتجات جينات الساعة، مما يشكل مذبذبًا جزيئيًا مستقلًا [3]. تتحكم الساعة الجزيئية في الحيوانات في تعبير الجينات التي يتم إخراجها في جميع أنحاء الجسم، مما يتحكم في نشاط ووظيفة خلايا وأعضاء مختلفة مع مرور الوقت [4]. لذلك، يمكن أن تؤدي الطفرات في جينات الساعة إلى تغييرات في سلوكيات إيقاعية بيولوجية مختلفة [5].

تقريبًا جميع الأنشطة الفسيولوجية للثدييات تنظمها الساعة البيولوجية للجسم، بما في ذلك دورة النوم واليقظة، والأكل والصيام، والنشاط والراحة [2]. تقع الساعة الرئيسية في النواة فوق التصالبية (SCN) في الوطاء، والتي يمكنها معالجة إشارات الضوء المدخلة ونقل معلومات التوقيت إلى أجزاء أخرى من الجسم [1]. تقع الساعات المحيطية في أنسجة وأعضاء أخرى، بعضها يعتمد بشكل صارم على تنظيم الساعة المركزية (مثل الكبد)، وبعضها يبقى مستقلًا نسبيًا [6]. تحافظ خلايا SCN على التزامن وترتبط ببعضها البعض من خلال اتصالات مشبكية [7]. يتم نقل إشارات التزامن من ساعة SCN إلى الساعة المحيطية من خلال التحفيز العصبي والهرموني لتحقيق إيقاع متماسك في جميع أنحاء الكائن الحي [8، 9].

في البشر، تطورت الإيقاعات البيولوجية الفسيولوجية والسلوكية لتشكيل الساعة البيولوجية التي تدعم حدوث اليقظة خلال النهار وتعزز النوم خلال الليل. تظهر جوانب مختلفة مثل درجة حرارة الجسم، والتمثيل الغذائي، والاستجابة المناعية، وما إلى ذلك، إيقاعات بيولوجية، كما أن النوم هو أيضًا سلوك إيقاعي. لذلك، يمكن أن يؤثر اضطراب الإيقاع البيولوجي بشكل مباشر على النوم، وقد أظهرت الأبحاث أن التعرض للضوء يمكن أن يعزز اليقظة بشكل مباشر ويقلل من الميل للنوم [10]. يمكن أن تؤدي الاضطرابات في الإيقاع البيولوجي إلى عواقب سلبية مختلفة، واحدة منها هي اضطرابات النوم الناتجة عن إيقاع الساعة البيولوجية (CRSWD). CRSWD هي فئة متميزة من اضطرابات النوم (تشمل اضطرابات النوم بشكل رئيسي

الأرق، واضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية، والتنفس غير الطبيعي أثناء النوم، والنوم المفرط/النوم القهري، والباراسومنيا، ومتلازمة الساقين غير المستقرة/اضطراب حركة الأطراف الدورية [11]). وفقًا لمعايير التصنيف الخاصة بـ ICSD-3، يمكن تقسيم CRSWDs عمومًا إلى فئتين: واحدة ناتجة عن تغييرات في نظام الإيقاع البيولوجي الداخلي والأخرى بسبب عدم التوافق بين وقت النوم واليقظة والإيقاع البيولوجي الداخلي الناتج عن التغيرات البيئية [12]. الميلاتونين، كعامل إيقاعي داخلي يعزز النوم، عند استخدامه في الوقت المناسب للعلاج، يمكن أن ينظم دورة النوم واليقظة [13]. في تجربة عشوائية مزدوجة التعمية خاضعة للتحكم الوهمي شملت 30 مريضًا، لوحظ أنه عندما تناول المرضى 5 ملغ من الميلاتونين، حدث إفراز الميلاتونين الداخلي لديهم قبل 1.5 ساعة. أظهرت تحليل PSG أن هؤلاء المرضى أظهروا تقدمًا وتقليلًا في زمن بدء النوم خلال فترة العلاج، دون تغييرات كبيرة في بنية النوم. علاوة على ذلك، مقارنةً بما قبل العلاج، أظهر المرضى زيادة في اليقظة عند الاستيقاظ في الصباح وتحسنًا كبيرًا في جودة الحياة [14].

تتكون الساعة الأساسية للإيقاعات البيولوجية للثدييات من مجموعة من عوامل النسخ المحافظة، حيث تكون القاعدة هي المنشط التنظيمي الرئيسي لبروتين دورات الحركة الإيقاعية (CLOCK)، وARNT-like 1 (BMAL1) وبروتين يحتوي على مجال PAS العصبي 2 (neuronal PAS2) [1]. تشكل هذه البروتينات معقدات هيتيروديمر CLOCK-BMAL1 و neuron PAS2-BMAL2 وتعمل على عنصر E-box في الجينات المستهدفة [1]. تشمل هذه الجينات المستهدفة عوامل النسخ لإيقاع الساعة البيولوجية مثل بروتين الفترة الإيقاعية 1 (PER1) وPER2، والكرابتوكروما 1 (CRY1) وCRY2، وREV-ERBa (NR1D1) وREV-ERB (NR1D2)، وما إلى ذلك، جميعها تعمل كمثبط للساعة الأساسية [1].

يتم تحفيز نسخ جينات Per وCry بواسطة معقد CLOCK/BMAL1. بعد أن يتم تصنيع بروتيناتها، تتراكم في السيتوبلازم وتشكل هيتيروديمرات تتنقل بين النواة والسيتوبلازم [15]. عندما يكون مستوى معقدات PER/CRY في النواة مرتفعًا بما فيه الكفاية، فإنها تثبط نسخ جينات E-box (بما في ذلك جيناتها الخاصة) عبر
إعاقة النسخ الذي يتم بوساطة CLOCK/BMAL1 [3]. قد تؤثر الطفرات الجينية التي تغير حالة الفسفرة، أو الحركة، أو تحلل بروتينات PER وCRY على سرعة الساعة [16، 17]. تتعرض بروتينات PER لعدة أحداث فسفرة متتالية لمواقع متعددة بواسطة CK1 و CK1 و CK2 [17-25]، مما يؤدي إلى تغيير حساسيتها للتحلل البروتيني الذي يتم بوساطته E3 يوبكويتين ليغاز -TrCP [26، 27]. سواء كانت الفسفرة تعزز استقرار البروتين أو تحلله يعتمد ليس فقط على المواقع المعدلة، ولكن أيضًا على الاختلافات الدقيقة في الكينازات المسؤولة [3]. على سبيل المثال، تؤثر فسفرة CK1 على متغيرات القص المتعددة بشكل عكسي على استقرار PER2 وطول دورة الإيقاع البيولوجي [28]. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط طول دورة الإيقاع البيولوجي ارتباطًا وثيقًا بوفرة بروتين CRY [29-36]. تصبح CRY1 وCRY2 المثفرتين أهدافًا لليوبكويتين ليغاز E3 FBXL3 وFBXL21، بينما يمكن أن يعزز JMJD5 معقدات CRY1-FBXL3 لاستهداف البروتيازومات، مما ينظم طول دورة الإيقاع البيولوجي عبر التأثير على تحلل بروتينات CRY [37-42].

المستقبلات النووية REV-ERBa وREV-ERB ليست فقط مكونات رئيسية للساعة البيولوجية الجزيئية، ولكن أيضًا منظمين رئيسيين لعملية الأيض والمزاج [43-45]. يقوم مستقبل الريتينويد المرتبط باليتيم (ROR) بقيادة تعبير BMAL1 في حلقة التغذية الراجعة [1]. يقوم REV-ERBa بتثبيط تعبير جين Bmal1 عن طريق الارتباط بعناصر استجابة ROR (RRE) الموجودة في هذه المحفزات الجينية، ويثبط إلى حد أقل تعبير جين Clock [46-49]. يتشارك RORa مواقع ربط الحمض النووي مع REV-ERBs [1]، وعندما يقوم REV-ERBa بتثبيط نسخ Bmal1، يقوم RORa بتنشيطه [50]. التنشيط الدوائي لـ RORa و ROR التي هي مضادات REV-ERBa وREV-ERB في الساعة الجزيئية، يمكن أن تعزز التذبذبات الإيقاعية [51، 52]، مما يظهر الإمكانات العلاجية في نماذج الفئران لمرض الزهايمر، ومرض باركنسون، والاكتئاب، والسمنة [51، 53-55] (الشكل 1).

تشارك الإيقاعات اليومية في تنظيم تقريبًا كل نوع من النشاط الفسيولوجي، بما في ذلك تنظيم المزاج، والتحكم في دورة الخلية، والتمثيل الغذائي، والاستجابات المناعية. في بعض الحالات المرضية

تغيرت أيضًا تعبيرات جينات الساعة تحت ظروف معينة. قد يؤدي اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية إلى تكاثر خلوي غير طبيعي، وزيادة في طفرات الجينات، ومقاومة للاستماتة، وبالتالي يشارك في حدوث وتطور مجموعة متنوعة من الأمراض، بما في ذلك الأمراض الأيضية، وأمراض القلب والأوعية الدموية، والأمراض النفسية، والسرطان. تلخص هذه الورقة بشكل منهجي الآلية الجزيئية لإيقاع الساعة البيولوجية. تأثيرات الجزيئات ذات الصلة على الجهاز المناعي وتطور السرطان؛ سيساعد ذلك في فتح آفاق جديدة لعلاج بعض الأمراض من منظور إيقاع الساعة البيولوجية.

البلاعم الكبيرة هي واحدة من خلايا المناعة الفطرية المهمة، التي تحفز سلسلة من ردود الفعل السلسلية من خلال مستقبلات تشبه Toll (TLRs) على سطح الخلية لتحويل الخلايا إلى حالة نشطة مناعياً. وجدت دراسة أن الوفاة الناتجة عن سموم الإشريكية القولونية تغيرت مع وقت الحقن، مما يشير إلى أن إشارة TLR4 كانت تحت سيطرة الإيقاعات اليومية. بالإضافة إلى ذلك، في نموذج الإنتان المعتمد على TLR9، لوحظت فتك أقوى في اليوم الذي كانت فيه تعبير TLR9 في أعلى مستوياته في البلاعم الطحالية وخلايا B. كما أظهر تعبير mRNA لـ Tlr2 و Tlr6 في البلاعم الطحالية إيقاعاً. لذلك، قد تكون الإيقاعات اليومية لـ TLR ومسارات الإشارة التابعة لها واحدة من الآليات المهمة التي توجه الالتهاب اليومي.

يمكن أن تت polarize البلعميات إلى نمط M1 المؤيد للالتهابات باستخدام الليبوسك polysaccharide (LPS) أو نمط M2 المضاد للالتهابات باستخدام IL-4، مما يغير من عملية التحلل السكري والفوسفوريل المؤكسد [61، 62]. يمنع BMAL1 تطور الإنتان من خلال التأثير على عملية التمثيل الغذائي للتحلل السكري. يؤدي فقدان BMAL1 في البلعميات إلى تقليل التحكم في التحلل السكري وزيادة الصدمة المعدية التي تتوسطها PDL1/T cells [63]. تظهر البلعميات التي تفتقر إلى جينات الساعة Per1 وPer2 نمطًا مؤيدًا للالتهابات مشابهًا لـ M1 [64]، بينما يعزز هرمون الميلاتونين إنتاج نمط M2 عبر RORa وإشارات المستقلبات [65، 66]. ترتبط بروتينات Nfil3 وDbp من جينات إيقاع الساعة البيولوجية بشكل تنافسي بمروج II12b، مما يمنع ويعزز التعبير، على التوالي [63، 67]. توفر تذبذبات هذه البروتينات لإيقاع الساعة البيولوجية استجابة إيقاعية لـ LPS [63].

تقوم البلعميات بإفراز السيتوكينات والكيموكينات للمشاركة في الالتهاب. يقوم REV-ERBa بتثبيط التهاب البلعميات من خلال آليات مختلفة. نقص REV-ERBa يزيد من الالتهاب في البلعميات الهوائية، بينما مثبطات REV-ERBa تمنع التعبير الجيني الالتهابي في البلعميات. كما ينظم REV-ERBa علامات الالتهاب في الخلايا الدبقية وفي نماذج التهاب القولون. ينظم مباشرة mRNA لـ NIrp3 في نموذج التهاب الكبد. يعتبر مركب PER/CRY آلية أخرى لتثبيط الوسائط الالتهابية في البلعميات. يؤدي حذف Per1 إلى زيادة تعبير Ccr2 وقدرة الهجرة، بينما يؤدي حذف Per2 إلى زيادة إنتاج TNFa وIL-12. ينظم CRY سلبًا مسار cAMP-PKA-NF-кB. يؤدي نقصه إلى زيادة التعبير عن II6 وTnfa وinos. وجدت الدراسات التي تستهدف REV-ERBa أن GSK4112 قام بتثبيط تعبير NLRP3 وIL-1. الإنتاج في نموذج التهاب مستحث بواسطة LPS [76]. يؤثر اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية وانخفاض مستوى KLF4 على وظيفة البلعميات في الفئران المسنّة [77]، مما يبرز الدور التنظيمي لإيقاع الساعة البيولوجية.

يمكن أن يؤثر الإيقاع اليومي على تنشيط مسار إشارة مستقبلات المناعة الشبيهة بالجراثيم (TLRs) على سطح البلعميات، وينظم النشاط المناعي والاستجابة الالتهابية للبلعميات، كما يؤثر أيضًا على حالة الاستقطاب واختيار المسار الأيضي للبلعميات، مما ينظم قدرتها على المشاركة في الاستجابة الالتهابية والوظيفة المناعية. قد تكون هذه التفاعلات واحدة من الآليات المهمة التي توجه الالتهاب المرتبط بالإيقاع اليومي.

الخلايا الشجرية (DCs) هي خلايا تقديم المستضدات التي تتأثر نشاطها بالإيقاع اليومي. في حالة نقص Rev-erba أو Rev-erb أظهرت خلايا المناعة المستخرجة من نخاع العظم في الفئران المعدلة وراثيًا (KO) زيادة في تعبير MHCII و CD86، مما يدل على النضج [78]. على العكس من ذلك، فإن وجود منبه REV-ERB يؤدي إلى تأثير عكسي. لوحظت هجرة معيبة لخلايا DCs المعدلة وراثيًا (Bmal1 KO) إلى الطحال، مما أدى إلى تقليل تنشيط خلايا CD8 T [79]. بالإضافة إلى ذلك، تظهر خلايا DCs هجرة أقوى من الجلد إلى الأوعية اللمفاوية خلال النهار مقارنة بالليل، وإزالة جين Bmal1 تلغي نمط الهجرة الإيقاعي هذا [80].

تلعب خلايا المناعة المتخصصة أيضًا دورًا حيويًا في المناعة المضادة للأورام. تكشف تحليلات تسلسل RNA أن جينات الساعة وجينات التحكم في الساعة تُعبر عنها بشكل إيقاعي في الهجرة إلى مجموعات DC التي تم جمعها بعد زراعة الورم أو تحت ظروف وهمية [81]. قد تساهم الإنتاج الإيقاعي لعوامل التحفيز المساعد لـ DC في التنشيط الإيقاعي لـ الخلايا. تعبير CD80 في CD11c المختلفة تكون المجموعات الفرعية معتمدة على الوقت وتتحكم بها آلية الساعة البيولوجية. يؤدي حذف BMAL1 إلى القضاء على الفرق الزمني في تعبير CD80 [81]. تكاثر OT-I CD8 تعتمد خلايا T على المرحلة الإيقاعية لخلايا DCs. تفشل خلايا BMDCs التي تعاني من نقص BMAL1 في تحفيز التكاثر الإيقاعي لخلايا OT-I CD8. الخلايا التائية. العلاج بالأجسام المضادة المضادة لـ CD80 يقضي على الفارق الزمني في OT-I تكاثر خلايا T، مما يؤكد العلاقة بين CD80 والاستجابة الإيقاعية لـ CD8 تؤكد تقنية ترسيب المناعة للكروماتين (ChIP) الارتباط الإيقاعي لبروتين BMAL1 بمنطقة المحفز لجين CD80، مما يشير إلى أن جين CD80 يتم التحكم فيه مباشرة بواسطة جين الساعة BMAL1.

تؤثر الإيقاعات اليومية على نشاط ووظيفة الخلايا الشجرية (DCs)، بما في ذلك النضج، وعرض المستضدات، والهجرة. كما تنظم الآليات اليومية دور الخلايا الشجرية في المناعة المضادة للأورام، بما في ذلك التعبير الإيقاعي لجينات الساعة والعوامل ذات الصلة وإنتاج العوامل المرتبطة بتنشيط. تساعد خلايا T. يلعب CD80 دورًا مهمًا في إيقاع الساعة البيولوجية المتحكم فيه استجابة الخلية وتتحكم بها مباشرةً النسخ الجيني بواسطة الساعة.

لقد تم إثبات العلاقة بين جينات الساعة البيولوجية وتطور اللمفاويات بشكل جيد. يؤثر نقص BMAL1 سلبًا على تطور خلايا B، مما يؤدي إلى انخفاض عددها في الدم والطحال لدى الحيوانات التي تم حذف جين BMAL1 منها. ومع ذلك، أظهرت تجارب النقل التبني أن الساعة الداخلية لـ الخلايا ولكن فقدان Bmal1 في بيئة نخاع العظام التي تعيق تمايز الخلايا [82]. من ناحية أخرى، فإن الفئران التي تعاني من نقص Bmal1 المحدد لخلايا B لا تظهر أي تغييرات في تمايز الخلايا أو وظيفتها [83]، مما يشير إلى أن تأثير جينات الساعة على تطور خلايا B يعتمد على البيئة الدقيقة.

وجدت بعض الأبحاث أن اللمفاويات، بما في ذلك خلايا B، في العقد اللمفاوية للفئران تظهر تذبذبات إيقاعية يومية. يتم ملاحظة أعلى عدد من اللمفاويات في بداية فترة النشاط (وقت الليل للفئران). يعود هذا التذبذب الإيقاعي إلى التوجه الإيقاعي للخلايا من الدم إلى العقد اللمفاوية وخروجها الإيقاعي من العقد اللمفاوية إلى الأوعية اللمفاوية الطاردة. يعتبر مستقبل كيموكين C-C-7 (CCR7) عاملاً تنظيمياً رئيسياً يظهر تذبذباً يومياً في كلا. الخلايا و الخلايا [84]. بالإضافة إلى ذلك، هجرة تعتمد خلايا على العقد اللمفاوية أيضًا على مستقبلات أخرى، مثل مستقبل كيموكين C-X-C 4 (CXCR4) وCXCR5. تصل مستويات التعبير عن CCR7 وCCL21 إلى ذروتها قبل وبعد بدء المرض الليلي، مما يؤدي إلى تجنيد خلايا B. تتضمن هذه العملية البيئة الدقيقة واللمفاويات. يلعب مستقبل سفينغوزين 1-فوسفات 1 (S1P1) دورًا تنظيميًا في التصدير الإيقاعي للخلايا إلى الأوعية اللمفاوية الطاردة. يعزز تعبيره الإيقاعي خروج اللمفاويات من اللمف.
العقد استجابةً للدهون الكيميائية السفينغوزين 1-فوسفات [89].

يمكن أن تؤدي اضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية الناتجة عن العمل والراحة غير المنتظمة إلى إلحاق الضرر بوظيفة خلايا B، مما يؤثر على الجهاز المناعي. اكتشفت دراسة أن دوران نوبات العمل النهارية والليلية (DNSR) يقلل من قدرة خلايا B10 على تثبيط المناعة IL10 ويؤثر سلبًا على إنتاج Tr1 في خلايا B10. بعد DNSR، على الرغم من أن أعداد خلايا B10 تظل دون تغيير، إلا أن مستويات IL-10 تنخفض. تكشف تسلسلات RNA أن CLOCK هو أحد أكثر الجينات تعبيرًا في خلايا B10 بعد DNSR. ترتبط مستويات CLOCK سلبًا بمستويات mRNA لـ IL-10. بالإضافة إلى ذلك، فإن خلايا bB10 (خلايا B10 قبل DNSR) تثبط تضاعف الخلايا وتحفيز خلايا Tr1، لكن هذه القدرة المناعية التنظيمية تضعف بعد DNSR [90].

في الوقت الحالي، البحث حول العلاقة بين إيقاع الساعة البيولوجية و لا يزال عدد اللمفاويات قليلاً، ويجب استكشاف تنظيم وتأثير إيقاع الساعة البيولوجية على خلايا B بشكل أكبر.

خلايا. تعتبر الخلايا واحدة من الخلايا المهمة التي تشارك في الاستجابة المناعية التكيفية، حيث تقضي على العدوى داخل الخلايا، وتتحكم في العدوى المزمنة، وتزيل الأورام من خلال إنتاج السيتوكينات (مثل IL-2، IFN- ، وTNF- ) وجزيئات سامة للخلايا (بروتين ثقب الخلية والجرانزيم) [91]. أكدت دراسة تعبير Per1 في خلايا CD8 خلايا T من طحال الفأر والتعبير المستمر الإيقاعي لبروتين PER2 في الثقافة في المختبر خلايا ، مما يشير إلى أن تمتلك الخلايا ساعة بيولوجية داخلية وخلوية ذاتية.

تظهر خلايا T تعبيرًا دوريًا لمستقبلات الكيموكين والجزيئات السطحية، مما يؤدي إلى أنماط هجرة وتذبذبات يومية في الأعضاء. ينظم الكورتيزول تعبير CXCR4 على خلايا T، مما يؤثر على الهجرة إلى المواقع التي تعبر عن CXCL2، وبالتالي ينظم مستويات خلايا T الساذجة في دم الإنسان. تصل خلايا T الساذجة إلى ذروتها في الليل وتكون منخفضة خلال النهار. الفاعل البشري تصل خلايا T إلى ذروتها خلال النهار تحت السيطرة الكاتيكولامينية [93]. في الفئران، و تكون الخلايا في أعلى مستوياتها في بداية اليوم (ZT4-5) وأدنى مستوياتها في بداية الليل (ZT16) [94، 95]. تظهر العقد اللمفاوية إيقاعًا معكوسًا، مما يشير إلى إعادة توزيع خلايا T من الدم إلى العقد اللمفاوية في الليل [84، 86]. هذه الهجرة الإيقاعية ناتجة عن التعبير الإيقاعي عن CCR7 في CD8. خلايا T و CCL21 (رابطة CCR7) في العقد اللمفاوية [91]. بالإضافة إلى ذلك، تعبير CD127 في تقوم خلايا T بتحفيز تعبير CXCL4 (مستقبل CXCL12) عبر IL-7، مما يساهم في التذبذب اليومي في الأعضاء اللمفاوية [86].

إيقاع الساعة البيولوجية يؤثر بشكل رئيسي على تكاثر خلايا T. تحفيز تؤدي خلايا T المجمعة من العقد اللمفاوية للفئران خلال دورة مظلمة/مظلمة لمدة 24 ساعة في الليل إلى زيادة أسرع في التكاثر [96]. ومع ذلك، يتم القضاء على إيقاع التكاثر في خلايا T من الفئران التي تحتوي على عامل النسخ السلبي CLOCK وحذف الجين الأساسي للساعة Bmal1 في النضج. الخلايا [79، 96]. اكتشفت دراسة باستخدام بيانات تسلسل RNA عالي الإنتاجية من أطلس جينوم السرطان أن اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية في الأورام مرتبط بزيادة خلل وظيفة خلايا T المرتبطة بالورم في السرطانات البشرية. قامت الدراسة بتحليل 716 عينة من 29 نوعًا مختلفًا من السرطان. في معظم أنواع السرطان، كانت تعبيرات منظم سلبي لساعة الإيقاع البيولوجي منخفضة، بينما كان منظم إيجابي، ARNTL2، مرتفعًا. وهذا يشير إلى أن الأورام تفقد تعبير mRNA المتذبذب لجين ساعة الإيقاع البيولوجي. بالإضافة إلى ذلك، ارتبطت التعبيرات العالية لجين الساعة ارتباطًا إيجابيًا بمستويات علامات خلل وظيفة خلايا T مثل PD-1 و CTLA-4 في عينات الورم. تشير هذه النتائج إلى وجود صلة بين تعبير جين الساعة غير المنظم وخلل وظيفة خلايا T في الشيخوخة والسرطان، مما يوحي بأن الإيقاعات البيولوجية تؤثر على شيخوخة خلايا المناعة التكيفية [97].

قد يؤدي اضطراب الإيقاعات اليومية في الأورام إلى ضعف وظيفة خلايا T المرتبطة بالورم. بالإضافة إلى ذلك، تظهر خلايا T أنماطًا مختلفة من الكيمياء الحيوية والهجرة.
تحت إيقاعات الساعة البيولوجية، تنظم الإنتاج الإيقاعي للكورتيزول والكيتوكول أمينات هجرة وتوطين خلايا T. كما أن تكاثر خلايا T يتأثر أيضًا بإيقاعات الساعة البيولوجية، حيث يظهر معدل تكاثر أسرع في الليل. تشير هذه النتائج البحثية إلى أن إيقاعات الساعة البيولوجية لها تأثيرات مهمة على نشاط وهجرة وتكاثر خلايا T، وأن اضطراب إيقاعات الساعة البيولوجية قد يؤثر على الاستجابات المناعية، بما في ذلك الاستجابات المناعية للأورام.

مساعد الخلايا. وجدت بعض الدراسات أن الجين المحدد لساعة الجسم، بدلاً من المنظم الرئيسي لساعة الجسم (BMAL1/CLOCK)، ينظم استجابة CD4 Tn المحددة. في CD4 Tn، يقوم جين ساعة الجسم Per1 بتثبيط تعبير السيتوكينات Th1 عن طريق تثبيط نقل الإشارة Akt/mTORC1، مما يغير توازن مجموعات خلايا T المساعدة نحو Th2 ويزيد من مستوى الأجسام المضادة المفرزة خلال استجابة الإجهاد.

بين خلايا T، تتأثر خلايا Th17 بالإيقاعات اليومية. Th17 هي مجموعة من CD4. خلايا T المساعدة التي تلعب دورًا حيويًا في الاستجابة المناعية وترتبط بالتفاعلات الالتهابية والأمراض المناعية الذاتية. تفرز السيتوكينات مثل IL-17 وIL-22 وتعتمد تمايزها ووظيفتها على عامل النسخ RORyt. تلعب جينات Nfil3 وRorc دورًا رئيسيًا في تمايز Th17. يتم تنظيم تعبير NFIL3 بواسطة REV-ERBa وREV-ERB. [102]. تم قياس مستويات التعبير لـ NFIL3 و RORyt في دراسة، تظهر أنماطًا متعارضة خلال النهار والليل [101]. كما وجدت الدراسة زيادة في خلايا Th17 في الأمعاء والطحال لدى فئران NFIL3 المعطلة ( ) وتثبيط تمايز Th17 مع زيادة التعبير عن NFIL3 [101].

تؤثر الإيقاعات اليومية بشكل كبير على خلايا Th17 بالإضافة إلى خلايا CD4 Tn. وجدت دراسة أن اضطراب الإيقاع اليومي (CRD) يساهم في تطور التهاب الأنف التحسسي (AR) من خلال التأثير على استجابات المناعة Th2 وTh17 [103]. زادت مستويات IL-4 وIL-6 وIL-13 وIL-17A بشكل كبير في مرضى التهاب المفاصل الروماتويدي، بينما IFN- انخفضت المستويات [103]. بالإضافة إلى ذلك، تم زيادة مستويات خلايا Th2 وTh17، بينما تم تقليل خلايا Th1 وTreg [103]. تشير هذه النتائج إلى أن CRD تعزز الاستجابة المناعية التي تتوسطها Th2 وTh17 في AR من خلال تنظيم توازن المناعة Th1/Th2 وTh17/Treg [103]. لذلك، يمكن أن تؤدي التغيرات في نشاط الساعة البيولوجية إلى زيادة القابلية للأمراض التحسسية.

في خلايا CD4 T، يقوم جين إيقاع الساعة البيولوجية Per1 بتثبيط إشارات Akt/ mTORC1، مما يؤدي إلى قمع التعبير عن السيتوكينات لخلايا Th1 وتعزيز تمايز خلايا CD4 T نحو خلايا Th2. وهذا يؤدي إلى ميل خلايا CD4 T لإنتاج المزيد من خلايا Th2 في نقاط زمنية محددة وزيادة في مستويات الأجسام المضادة تحت تأثير المحفزات المجهدة. بالإضافة إلى ذلك، يلعب إيقاع الساعة البيولوجية أيضًا دورًا مهمًا في خلايا Th17 في خلايا T المساعدة. تلعب جينات إيقاع الساعة البيولوجية Nfil3 وRorc أدوارًا حاسمة في تمايز خلايا Th17، وقد تختلف كمية ووظائف خلايا Th17 في نقاط زمنية مختلفة. يمكن أن يؤثر اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية (CRD) أيضًا على الاستجابة المناعية لخلايا Th2 وTh17، مما يؤدي إلى تنشيط مفرط لهذه الخلايا وزيادة القابلية للإصابة بالأمراض التحسسية. باختصار، ينظم إيقاع الساعة البيولوجية تمايز ووظيفة واستجابة خلايا T من خلال تعديل جينات إيقاع الساعة البيولوجية المحددة ومسارات الإشارة، مما يؤثر على توازن ووظيفة الجهاز المناعي.

خلايا القاتل الطبيعي (NK) هي خلايا مناعية فطرية تقضي مباشرة على خلايا الورم دون تنشيط. تطلق إنزيم B، وبيرفورين، وسيتوكينات مؤيدة للالتهاب، مثل TNF-a [104، 105]. كما تنظم خلايا NK خلايا الدم البيضاء الأخرى، بما في ذلك البلعميات، وخلايا T، وخلايا التغصن (DCs)، من خلال إفراز السيتوكينات [106]. تؤثر إيقاعات الساعة البيولوجية على وظيفة خلايا NK، بما في ذلك إفراز السيتوكينات وعوامل التحلل الخلوي [107]، لكن تأثيرها على تطوير خلايا NK ووظيفتها لا يزال غير واضح.

دراسة حديثة بحثت في ضعف وظيفة خلايا NK والآليات المحتملة بسبب اضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية [108]. باستخدام نموذج الفأر المزمن مع تأخر في التوقيت، لاحظ الباحثون انخفاضًا في أعداد خلايا NK في الطحال والرئتين. كما وجدوا زيادة في خلايا NK المتقدمة في العمر (CD27 CD11b ) وانخفاضًا في خلايا NK الوظيفية ( ) في نخاع العظام والطحال. تشير هذه النتائج إلى أن اضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية تعزز موت خلايا NK المتقدمة في العمر، مما يؤثر على كميتها ووظيفتها [108]. بالإضافة إلى ذلك، أدت الاضطرابات في إيقاعات الساعة البيولوجية إلى تغييرات في تعبير مستقبلات خلايا NK، مع زيادة في المستقبلات غير الناضجة (CD117 وCD127) وانخفاض في المستقبلات الوظيفية (Ly49D وLy49G2 وLy49H) [108].

يقلل اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية بشكل كبير من إفراز CD107a وIFN- بواسطة خلايا NK، مما يضعف قدرتها على القضاء على خلايا الورم التي تفتقر إلى MHC-I وخلايا الميلانوما B16 [108]. تعتبر إشارة IL-15 حاسمة لبقاء خلايا NK واستقرارها في البيئة المناعية المحيطية [109]. يلعب CD122 دورًا رئيسيًا في الحفاظ على تحفيز IL-15 [110]. في خلايا NK التي تعاني من اضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية، يتغير تعبير Eomes وT-bet، وهما عاملان نسخ مهمان ينظمان تطوير خلايا NK ووظيفتها [108]. يؤثر Eomes على تطوير خلايا NK ووظيفتها من خلال تنظيم CD122 نسخيًا، ويقل تعبيره بشكل كبير في خلايا NK من الفئران التي تعاني من تأخر مزمن في التوقيت. يؤدي حجب CD122 إلى إلغاء التأثير المثبط لتأخر التوقيت المزمن على إفراز CD107a وIFN- بواسطة خلايا NK [108]، مما يشير إلى أن إيقاعات الساعة البيولوجية تؤثر بشكل غير مباشر على مستويات IL-15 من خلال تنظيم تعبير Eomes وCD122، مما يؤثر على قدرة خلايا NK على مراقبة المناعة (الشكل 2).

بشكل عام، يؤثر اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية سلبًا على وظيفة خلايا NK. وجدت الأبحاث أن الاضطراب في إيقاع الساعة البيولوجية يؤدي إلى انخفاض في عدد خلايا NK، وزيادة في خلايا NK المتقدمة في العمر، ويؤثر على تعبير مستقبلات خلايا NK. بالإضافة إلى ذلك، يقلل الاضطراب في إيقاع الساعة البيولوجية من قدرة خلايا NK على المراقبة المناعية وقدرتها على القضاء على خلايا الورم. يمكن تحقيق هذه التأثيرات من خلال تنظيم عوامل النسخ الرئيسية ومسارات الإشارة. تعتبر الأبحاث الإضافية مفيدة لفهم العلاقة بين إيقاع الساعة البيولوجية وتطوير وظيفة خلايا NK بشكل أعمق.

كواحدة من الدورات الثلاث الرئيسية التي تؤثر على النشاط الفسيولوجي ووظيفة الثدييات، تلعب دورة النوم والاستيقاظ دورًا مهمًا في الحفاظ على الوظائف الفسيولوجية الطبيعية وضمان التعبير الجيني الطبيعي. خاصة بالنسبة للجهاز المناعي، يجب أن يتحكم النوم، كمسار لتنظيم الغدد الصماء والجهاز العصبي الذاتي، بشكل منهجي في الوظائف المناعية [111، 112]. أكدت الدراسات البشرية أن النوم المنتظم له تأثير محفز على الاستجابة المناعية الأولية [113، 114]، لذا فإن الحفاظ على دورة نوم واستيقاظ منتظمة يمكن أن يعزز تشكيل جهاز مناعي جيد في الجسم.

يؤثر النوم على الحالة المناعية من خلال تنظيم إفراز السيتوكينات بواسطة خلايا. توازن السيتوكينات بين خلايا T المساعدة 1 (Th1) وخلايا T المساعدة 2 (Th2) أمر حاسم للاستجابة المناعية. تطلق خلايا Th1 الإنترفيرون- (IFN- )، والإنترلوكين-2 (IL-2)، وعامل نخر الورم-a (TNF-a)، مما يعزز ردود الفعل الخلوية (النوع 1) ضد مسببات الأمراض داخل الخلايا. تحفز مناعة Th2 (IL-4، IL-5، IL-10، وIL-13) الدفاع الخلوي (النوع 2) ضد مسببات الأمراض خارج الخلايا [115]. وقد تم الإبلاغ عن أن النوم الليلي يفيد الانتقال إلى الدفاع المناعي الذي يتوسطه Th1. يظهر إنتاج IFN- وIL-10
في المختبر إيقاعًا بيولوجيًا، مع ذروة حوالي 03:00 خلال النوم الليلي [116، 117]. يمنع النوم، وخاصة في المراحل المبكرة التي تهيمن عليها النوم ببطء (SWS)، إفراز الجلوكوكورتيكويد ويعزز إفراز هرمون النمو (GH) والبرولاكتين [118-120]. تعمل هذه العوامل معًا على تحويل توازن Th1/Th2 نحو ميزة Th1، مما يعزز الاستجابات المناعية الخلوية ضد مسببات الأمراض داخل الخلايا [121، 122]. أكدت دراسة أخرى أن النوم الليلي يمنع إنتاج خلايا Th2 مقارنة باليقظة، بينما يبقى التأثير على خلايا Th1 غير واضح. وبالتالي، يحفز النوم تحولًا نحو هيمنة Th1 [115]. قد يساهم تثبيط إفراز الكورتيزول وزيادة مستويات الميلاتونين في الليل في هيمنة Th1 [116، 123]. ومع ذلك، يقتصر هذا التأثير على النوم المبكر، وخاصة SWS، ويعكس خلال النوم المتأخر الذي تهيمن عليه حركة العين السريعة (REM)، مع انخفاض نسبة خلايا CD4 من IFN- خلال النوم مقارنة باليقظة [115]. يظهر الأفراد المسنون الذين يعانون من اضطرابات النوم وSWS انخفاضًا في إفراز GH والبرولاكتين، مما يؤدي إلى هيمنة Th2 [124، 125].

بجانب خلايا T المساعدة، يقلل النوم أيضًا من إنتاج TNF-a بواسطة خلايا T المثبطة/السامة (CD8 ) [115]. قد يكون هذا الانخفاض مرتبطًا بخلايا CD8 الفعالة وخلايا T الذاكرة بدلاً من خلايا الأولية، مما يعكس تغييرات في الهجرة إلى الأنسجة خارج الأوعية [126، 127]. ومع ذلك، لا يزال دور إعادة تدوير الخلايا في وظيفة المناعة التي يتوسطها النوم غير واضح.

يتمثل تأثير النوم على الجهاز المناعي بشكل رئيسي في توازن السيتوكينات وعدد خلايا المناعة. يمكن أن يعزز النوم تنشيط خلايا Th1، ويزيد من إنتاج IFN- وسيتوكينات ذات صلة أخرى، مما يعزز القدرة على مكافحة الفيروسات والبكتيريا داخل الخلايا. في الوقت نفسه، يمكن أن يمنع النوم إفراز الكورتيزول، ويعزز إفراز هرمون النمو والبرولاكتين. تعمل هذه العوامل معًا على إمالة توازن سيتوكينات Th1/Th2 نحو هيمنة Th1، مما يعزز الاستجابات المناعية الخلوية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يقلل النوم أيضًا من إنتاج خلايا Th2، ويقلل من إنتاج IL-4 وسيتوكينات ذات صلة أخرى بواسطة خلايا CD4 ، مما يعزز بشكل أكبر هيمنة Th1. علاوة على ذلك، يمكن أن يقلل النوم أيضًا من إنتاج TNF-a بواسطة خلايا CD8 الخلايا. على الرغم من أن الآليات المحددة ليست مفهومة تمامًا، إلا أن تأثيرات النوم على الجهاز المناعي تحدث بشكل أساسي خلال المراحل المبكرة من النوم (التي تهيمن عليها مرحلة النوم البطيء)، بينما قد يكون لمرحلة النوم السريع (REM) تأثيرات معاكسة. في الأفراد المسنين، تؤدي اضطرابات النوم ومرحلة النوم البطيء إلى تقليل إفراز هرمون النمو والبرولاكتين، ويميل توازن السيتوكينات نحو هيمنة Th2. في الختام، يساعد النوم الكافي في الحفاظ على الوظيفة الطبيعية للجهاز المناعي، خاصة في تعزيز الاستجابات المناعية المعتمدة على الخلايا. ومع ذلك، لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم تأثير النوم على وظيفة المناعة.

تنظم الجينات الساعية الالتهاب في الدم المحيطي والأمعاء. يرتبط الالتهاب بالنوم، حيث تشارك مجموعة متنوعة من السيتوكينات الالتهابية في تطور الأمراض القلبية الوعائية، والسكري، وحالات أخرى. يؤثر النوم على أنشطة هذه السيتوكينات [128]. تشير البيانات الوبائية إلى أن النوم غير الكافي يمكن أن يزيد من خطر ووفاة الأمراض المزمنة بسبب تأثيره على الآلية الالتهابية [129]. أبلغت دراسات الحرمان من النوم التجريبية عن تغييرات في الاستجابة المناعية، مما أدى إلى ارتفاع مستويات علامات الالتهاب مثل IL-6 وTNF-a وبروتين C-reactive [130-132]. لا يزال الأصل الخلوي لنشاط السيتوكينات المؤيدة للالتهاب غير واضح، على الرغم من أن وحيدات النوى تعتبر المساهمين الرئيسيين في الدم المحيطي [128]. لقد أظهرت ربط الليبوسكرياتيد بواسطة TLR4 زيادة كبيرة في إنتاج IL-6 وTNF-a في وحيدات النوى في الدم المحيطي بعد الحرمان من النوم [128]. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي النوم غير الكافي إلى تغييرات في تعبير السيتوكينات المؤيدة للالتهاب، وجين الساعة الدائرية PER1، وجينات الاستجابة المبكرة الفورية، بالإضافة إلى وسطاء نقل الإشارة وجينات مرتبطة بعوامل النمو. لقد كشفت التحليلات البيوانفورماتية الوظيفية الهيكلية

تورط مسارات الإشارة المتعددة، بما في ذلك نظام الإشارة الالتهابية لعامل النواة KB ومسارات استجابة الهرمونات وعوامل النمو الكلاسيكية، في الاستجابة النسخية لكريات الدم البيضاء لنقص النوم [128].

تلعب الساعة البيولوجية دورًا حاسمًا في تنظيم المناعة المعوية والحفاظ على وظيفة الحاجز المعوي. على سبيل المثال، يؤدي حذف جين BMAL1 إلى تعطيل توازن خلايا اللمفويات الفطرية من المجموعة 3 (ILC3) في الأمعاء، مما يؤدي إلى ضعف استجابة الظهارة المعوية، واختلال توازن الميكروبيوم، وزيادة القابلية للإصابة بالعدوى المعوية، واضطرابات في استقلاب الدهون. كما تظهر الفئران التي تم حذف جين BMAL1 انخفاضًا في عدد الخبايا المعوية الدقيقة وضعفًا في تجديد الأمعاء بعد التعرض للإشعاع.
متلازمة الجهاز الهضمي [134]، مما يبرز أهمية BMAL1 في تكاثر خلايا الأمعاء. إن الإفراط في التعبير عن CRY1 يثبط الالتهاب الوعائي الناتج عن الحرمان من النوم (SD)، ربما من خلال مسارات NF-kB وأدينوسين أحادي الفوسفات الحلقي/ بروتين كيناز A (cAMP/PKA) في الجسم [135]. يؤثر الحرمان الحاد من النوم (ASD) بشكل شائع على العمال في نوبات العمل، مما يسبب الخمول والتعب المستمر. يساهم ASD في الالتهاب من خلال التأثير على الميكروبيوم المعوي. في الأفراد المسنين الذين يعانون من الأرق، يمكن تنظيم تأثير النشاط البدني على اضطرابات النوم بواسطة المستقلبات الأساسية للميكروبيوم المعوي. يظهر جنس Monoglobus ارتباطًا سلبيًا مع النشاط البدني وزمن بدء النوم، بينما يظهر ارتباطًا إيجابيًا مع النوم.
يؤدي اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية إلى انخفاض وفرة بكتيريا معينة (مثل Lactobacillus و Ruminococcus) جنبًا إلى جنب مع تقليل تنظيم BMAL1. قد يساهم زيادة Candidatus Arthromitus في مجموعة SD في التهاب القولون، وعجز وظيفة الحاجز المعوي، والالتهاب الجهازي. وبالتالي، يلعب إيقاع الساعة البيولوجية وتركيب الميكروبيوم أدوارًا حاسمة في الحفاظ على وظيفة الحاجز المعوي. قد يكون للنوم الكافي والتنظيم الذاتي للميكروبيوم تأثيرات وقائية ضد الأمراض ويساعد في استعادة حاجز الظهارة المعوية، مما يحسن الالتهاب.

باختصار، يمكن القول إن النوم ينظم إفراز السيتوكينات والميكروبات المعوية من خلال مسارات مختلفة، مما يؤثر على الحالة الالتهابية للجسم، وبالتالي يشارك في تطور أمراض التهابية متنوعة. قد يؤدي كسر دورة النوم والاستيقاظ المنتظمة إلى زيادة إفراز السيتوكينات المؤيدة للالتهابات في الدم المحيطي، مما يزيد من خطر الإصابة بأمراض القلب والأوعية الدموية، والسكري، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، قد تؤدي تقليل وفرة الفلورا المحددة والتعبير عن جينات الساعة الناتج عن الحرمان الحاد من النوم إلى التهاب القولون، واضطراب وظيفة الحاجز المعوي، وأمراض أخرى.

للنوم تأثير كبير على جهاز المناعة والحالة الالتهابية. يمكن أن يؤدي نقص النوم إلى زيادة الاستجابة الالتهابية، وزيادة خطر الأمراض المزمنة، ومعدلات الوفيات. يمكن أن يؤدي الحرمان التجريبي من النوم إلى تغيير الاستجابات المناعية وزيادة مستويات العلامات الالتهابية في الدم. يؤثر الحرمان من النوم أيضًا على التغيرات في تعبير السيتوكينات المؤيدة للالتهابات ومسارات الإشارة. تلعب الساعة البيولوجية دورًا حاسمًا في مناعة الأمعاء ووظيفة الحاجز. يؤدي تعطيل جين BMAL1 إلى تعطيل توازن خلايا اللمفوية الفطرية من المجموعة 3 في الأمعاء، مما يؤدي إلى ضعف استجابة الأمعاء واضطراب الميكروبيوم. يمكن أن يحمي النوم الكافي والتنظيم الذاتي لميكروبيوم الأمعاء جهاز المناعة، ويحسن الحالة الالتهابية، ويستعيد وظيفة حاجز الأمعاء. لذلك، للنوم تأثير كبير على الحالة الالتهابية للجسم وتطور الأمراض الالتهابية، وقد يؤدي تعطيل إيقاع الساعة البيولوجية إلى زيادة خطر الإصابة بمختلف الأمراض.

تعتبر اضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية الناتجة عن اختلالات مزمنة بين الإيقاعات السلوكية ودورات الضوء/الظلام الخارجية شائعة [139] وقد ثبت أنها تسبب أنواعًا مختلفة من السرطان [140] ومشاكل صحية مزمنة [141]. تشير الأدلة المتزايدة إلى أن الإيقاعات اليومية تؤثر على مسارات متعددة تنظم نتائج السرطان، بما في ذلك نقاط تفتيش دورة الخلية، الاستماتة، تكاثر الخلايا، إصلاح الحمض النووي، والالتهاب [142-150].

تعتبر اضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية شائعة بين عمال النوبات الليلية [151]، مما يؤدي إلى اضطراب شديد في المسارات البيولوجية الجزيئية البشرية أثناء وبعد نوبات العمل الليلية [152-155]، مما يزيد من خطر الإصابة بالسرطان [156]. تؤكد دراسات القوارض هذا الرأي، حيث تظهر أن التغيرات في إيقاعات الساعة البيولوجية يمكن أن تعطل دورات الخلايا، وتغير الأيض، وتعزز تطور الأورام، وتسبب نمو خلايا الورم، وتثير إعادة تشكيل خلايا المناعة المرتبطة بالورم تحت ظروف العمل بالنوبات والمحاكاة للزمن المتأخر [157-160].

حللت دراسة متطوعين خضعوا لجدول زمني محاكي للنوبات النهارية أو الليلية، مما أدى إلى اضطرابات في إيقاع الساعة البيولوجية، وجمعت عينات دم لدراسة تأثيرها على العمليات البيولوجية الذاتية [139]. كشفت النتائج عن ضعف فعالية إصلاح تلف الحمض النووي الناتج عن مصادر ذاتية وإشعاع خارجي في خلايا الدم البيضاء التي تم الحصول عليها تحت ظروف العمل في النوبات الليلية. علاوة على ذلك، مقارنة بمجموعة النوبات الليلية المحاكية، أدى التعرض للأشعة تحت الحمراء الليلية (IR) إلى مزيد من تلف الحمض النووي في خلايا الدم البيضاء لمجموعة النوبات الليلية المحاكية [139]. بالإضافة إلى ذلك، تُبلغ الدراسة للمرة الأولى عن عدم توازن إيقاع الساعة البيولوجية لعوامل تنظيم دورة الخلية وإصلاح الحمض النووي في كريات الدم البيضاء البشرية بعد النوبات الليلية. العوامل الرئيسية
تم تحديد الجينات المعنية في تنشيط نقاط تفتيش دورة الخلية وإصلاح الحمض النووي، بما في ذلك ATR وCDK4 وCDKN1C وTP53 وWEE1 وERCC6 وTP53 وRPA3 وXPA وH2AFX وPARP1 وRAD50. يشير اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية للتعبير عن هذه الجينات إلى وجود صلة مباشرة بين آليات إيقاع الساعة البيولوجية الخلوية وخطر الإصابة بالسرطان الناتج عن العمل في النوبات الليلية [139].

يمكن أن يكون الحرمان الشديد من النوم له عواقب أكثر خطورة، مما يؤدي إلى الوفاة المبكرة في الكائنات النموذجية مثل الكلاب، والجرذان، والصراصير، والذباب [161-164]. يؤثر النوم غير الكافي على وظيفة الدماغ [165-167]، ويقترح البعض أن وظيفة النوم هي منع الإجهاد التأكسدي في الدماغ [168]. وقد أفادت الدراسات بحدوث تغييرات في الاستجابة المضادة للأكسدة أثناء الحرمان من النوم [169-173]. يمكن أن يؤدي النوم غير الكافي إلى تراكم ROS بسبب زيادة الإنتاج، أو انخفاض الإزالة، أو كليهما [174]. بينما يتم إنتاج معظم ROS أثناء تخليق ATP المعتمد على الأكسجين في الميتوكوندريا [175]، يتم إنتاجه أيضًا كمنتج ثانوي لطي البروتينات المؤكسدة [176]. يمكن أن يؤدي نقص النوم إلى إجهاد الشبكة الإندوبلازمية، مما يؤدي إلى الإجهاد التأكسدي وزيادة الطلب على طي البروتين، مما يزيد من إنتاج ROS [177-179]. ومع ذلك، لم تكتشف العديد من الدراسات أضرارًا أكسدية كبيرة في الدماغ أثناء الحرمان من النوم [180-183]، ربما بسبب التنشيط الفعال لمضادات الأكسدة وآليات الحماية الخلوية [170، 184-188]. ومن الجدير بالذكر أن الأمراض المعوية غالبًا ما ترتبط بتقييد النوم ومستويات ROS غير الطبيعية، مما قد يسهم في تطور الأورام من خلال آليات مثل تلف الحمض النووي والالتهاب [189-196] (الشكل 3).

تشمل العوامل التي تسهم بشكل أساسي في اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية نقص النوم، والعمل في النوبات الليلية، والحرمان من النوم. يمكن أن تؤدي هذه العوامل إلى اضطرابات في إصلاح تلف الحمض النووي والإجهاد التأكسدي، مما يزيد من خطر الإصابة بالسرطان. يمكن أن يتداخل نقص النوم مع إيقاع الساعة البيولوجية، مما يؤثر على مسارات متعددة مثل دورة الخلية، والموت المبرمج، وتكاثر الخلايا، وإصلاح الحمض النووي، والالتهاب، مما يؤثر على نتائج السرطان. غالبًا ما يعاني عمال النوبات الليلية من اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية، مما يزيد من تعرضهم للسرطان. كما أظهرت الدراسات الحيوانية أن التغيرات في إيقاع الساعة البيولوجية يمكن أن تعطل دورة الخلية، وتغير الأيض، وتعزز تطور الأورام، وتسبب نمو خلايا الورم وإعادة تشكيل خلايا المناعة تحت ظروف العمل في النوبات الليلية والمحاكاة للزمن المتأخر. كما وجدت الأبحاث اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية في الجينات المعنية في مسارات إصلاح الحمض النووي بين المتطوعين الذين اتبعوا جدول نوبات ليلية محاكية. تتعرض فعالية عملية إصلاح تلف الحمض النووي للخطر في خلايا الدم البيضاء التي تم الحصول عليها أثناء العمل في النوبات الليلية. كما أن إيقاع الساعة البيولوجية لعوامل تنظيم دورة الخلية وإصلاح الحمض النووي في كريات الدم البيضاء البشرية غير متوازن أيضًا بعد النوبات الليلية، وهذه الجينات حاسمة لتحديد وإصلاح تلف الحمض النووي. قد يؤدي الحرمان الشديد من النوم أيضًا إلى الوفاة المبكرة في الكائنات النموذجية، ربما بسبب ضعف وظيفة الدماغ. أثناء الحرمان من النوم، تحدث تغييرات في استجابة الدماغ المضادة للأكسدة، ويمكن أن يؤدي نقص النوم إلى تراكم الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS)، مما يؤدي إلى الإجهاد التأكسدي. بالنظر إلى الآثار المرضية المرتبطة بتقييد النوم، مثل الاضطرابات المعوية، قد تسهم مستويات ROS غير الطبيعية في تكوين الأورام من خلال آليات متنوعة.

للنوم والمناعة علاقة ثنائية الاتجاه. يؤثر النوم على الجهاز المناعي، ويمكن أن تؤثر التغيرات في الجهاز المناعي أيضًا على النوم. تم تحديد الأمراض التي تتميز بالالتهاب منخفض المستوى، بما في ذلك الأمراض التنكسية، وأمراض القلب والأوعية الدموية، والاضطرابات الأيضية، والألم المزمن [197-199]. تعتبر الاضطرابات الالتهابية آلية محتملة تربط بين وقت النوم والوفيات [200،201].

في دراسة استمرت 7 سنوات شملت أكثر من 2500 رجل مسن، ارتبطت فترة النوم القصيرة (5 ساعات) بزيادة خطر الوفاة بسبب

زيادة العبء الالتهابي (أي، قياس مركب لـ CRP وIL-6 وTNF-a وsTNF-RII وIFN- تعديل مستويات الالتهاب بشكل كبير يضعف هذه العلاقة، مما يشير إلى أن الآلية الالتهابية تعطل العلاقة بين وقت النوم والوفيات [202]. تم التعرف على ارتفاع مستوى CRP كعلامة للتنبؤ بخطر الإصابة بأمراض القلب والأوعية الدموية [203]، مما يشير إلى أن الالتهاب قد يكون أساس الارتباط بين الحرمان من النوم والوفيات، فضلاً عن الارتباط بين الحرمان من النوم وزيادة خطر الإصابة بأمراض القلب والأوعية الدموية [204].

في معظم الدراسات، يتم قياس الحالة الالتهابية من خلال مستويات CRP أو IL-6، وترتبط المستويات الأعلى من CRP وIL-6 بتقليل وقت النوم [205]. يبدو أن التأثير الوسيط للالتهاب فريد من نوعه بالنسبة لمدد النوم القصيرة، حيث أن خصائص النوم الأخرى مثل زمن بدء النوم أو الاستيقاظ الليلي لا ترتبط بعبء الالتهاب. تم الإبلاغ أيضًا عن ارتفاع علامات الالتهاب في النوم المطول (8 أو 9 ساعات) [206-210]، على الرغم من أن العمليات المرضية غير المنضبطة قد
تتوسط هذه العلاقة. ومع ذلك، لم تجد بعض الدراسات ارتباطًا بين علامات الالتهاب ووقت النوم [211-215]، مما يزيد من تباين نتائج الأبحاث.

فيما يتعلق بالسيتوكينات الالتهابية، ارتبطت جودة النوم الذاتية السيئة بزيادة إنتاج IL-1 المحفز وTNF-a وIL-6 في دراسة مقطعية [213]. مؤخرًا، ارتبطت جودة النوم السيئة لدى النساء بعد انقطاع الطمث بزيادة استجابة IL-6 بعد الضغط النفسي والاجتماعي [216]. من حيث خلايا المناعة، ارتبط زيادة عدد كريات الدم البيضاء بكفاءة نوم أقل وزيادة في وقت الاستيقاظ الليلي لدى النساء [217-220].

باختصار، تدعم نتائج الأبحاث العلاقة الثنائية الاتجاه بين النوم والمناعة. ترتبط علامات الالتهاب والسيتوكينات وخلايا المناعة بالنوم، وقد يكون عدم تنظيمها آلية محتملة لاضطرابات النوم التي تؤثر على خطر الإصابة بالأمراض [221]. قد يكون للتغيرات في النوم أثناء المرض، مثل العدوى، آثار على التعافي [222].

يوجد آلية تنظيمية بين الإيقاعات اليومية وجينات السرطان، والتي تتعلق بحدوث الأورام وخباثتها. تسهم إيقاعات الجينات المرتبطة بالتمثيل الغذائي والوظيفة الغدد الصماء بشكل كبير في تطور الأورام. يعطل الإيقاع البيولوجي غير الطبيعي المناعة الفطرية والمكتسبة للجسم، مما يعزز تقدم الأورام الخبيثة. أظهرت الدراسات أنه في مجموعة العقيدات الدرقية الخبيثة، كان مستوى التعبير عن CLOCK وBMAL1 أعلى بشكل ملحوظ، بينما كان مستوى التعبير عن CRY2 أقل [223]. يرتبط تسلل خلايا المناعة مثل البلعميات والعدلات في سرطان الخلايا الكلوية الواضحة بالتغيرات الإيقاعية في التعبير عن مكونات CLOCK (BMAL1 وPER، إلخ) [224، 225]. يشارك CLOCK أيضًا في تنظيم محتوى الخلايا الجذعية للورم الدبقي (GSC) في الورم الدبقي (GBM) من خلال التنظيم النسخي للكيماويات [226]. كشفت التحليلات النسخية للخلايا الفردية عن ارتباط بين اضطراب الإيقاع اليومي (CRD) وسوء التنبؤ بالإضافة إلى مقاومة الأدوية في سرطان الغدد الرئوية. كان معدل CRD مرتبطًا بشكل كبير بسوء التنبؤ ومقاومة العلاجات المضادة للسرطان، بما في ذلك العلاج الكيميائي وعلاج مثبطات كيناز التيروزين (TKI)، في مرضى LUAD [227]. يعزز اضطراب الجينات المرتبطة بالساعة البيولوجية سرطان القولون في نموذج الأعضاء المعوية، وتمت ملاحظة فقدان الإيقاع اليومي في الأعضاء المستمدة من المرضى [228].

تعمل دورة الخلية والساعة البيولوجية كأجهزة تذبذب بيولوجية، وهناك أدلة متزايدة على الروابط الجزيئية بين هذين الجهازين باستخدام آليات اقتران مختلفة، والتي غالبًا ما تكون غير منظمة في خلايا السرطان [146]. تتكون دورة الخلية من أربع مراحل: G1 وS وG2 وM، مع تمثيل مرحلة G0 كحالة راحة عندما تتوقف الخلايا مؤقتًا عن الانقسام. تنظم جزيئات دورة الخلية الرئيسية (السيكلينات) تقدم دورة الخلية بطريقة تسلسلية واتجاهية [229]، وتؤدي نشاط كيناز مجمعات السيكلين-CDK إلى تحفيز أحداث محددة في أوقات محددة في دورة الخلية [230]. تعمل الساعة البيولوجية كجهاز تذبذب بيولوجي مع تشابهات مفاهيمية وآلية مع الآليات التي تتحكم في انقسام الخلايا. تظهر كل من دورة الخلية والساعة البيولوجية مراحل تسلسلية من النسخ/الترجمة، وتعديل البروتين، والتحلل [146]. تنظم تفاعلاتها بشكل مشترك نشاط خلايا الورم. قد يكون الفهم الأعمق للروابط الجزيئية بين دورة الخلية والساعة البيولوجية أساسًا لتصميم استراتيجيات علاجية مبتكرة.

تؤثر البيئة الدقيقة للورم (TME) بشكل كبير على تطور الورم. عادةً ما تتكون TME من المصفوفة خارج الخلوية (ECM) ومجموعة متنوعة من الخلايا بما في ذلك الخلايا النخاعية الخلقية [مثل البلعميات المرتبطة بالورم (TAM) والخلايا الشجرية وخلايا المثبط النخاعي (MDSC)]، واللمفاويات [مثل خلايا T وخلايا القاتل الطبيعي (NK)]، والخلايا البطانية [231]. يعد فهم الجوانب الجزيئية للساعة البيولوجية في تكوين الأورام والتفاعل التبادلي بين خلايا السرطان وTME حاليًا محورًا رئيسيًا في أبحاث السرطان [232]. تشير الأدلة الحديثة إلى أن اضطرابات الإيقاع اليومي مرتبطة بزيادة خطر الإصابة بالسرطان وتعزز الانتشار في أنواع متعددة من الأورام. تلعب الساعة البيولوجية أيضًا دورًا تنظيميًا في نمو الورم والعديد من علامات السرطان. علاوة على ذلك، أكدت الدراسات أن الإيقاع اليومي ينظم وظيفة المناعة، وهو أمر ذو أهمية كبيرة في علاج السرطان حيث تلعب المناعة دورًا حاسمًا في القضاء على الأورام الخبيثة وكبحها.

يتقلب تركيز الهرمونات والسيتوكينات المناعية بشكل إيقاعي طوال اليوم [148]. أي اضطراب في التوازن بين خلايا المناعة المضادة للورم وخلايا المناعة المثبطة للورم قد يمكّن خلايا السرطان من الهروب من السيطرة المناعية، مما يؤدي إلى حدوث المرض وتطوره [233]. تلعب خلايا T وخلايا المثبط النخاعي (MDSCs) دورًا
رئيسيًا. تكون خلايا T مسؤولة عن قتل خلايا الورم بشكل انتقائي [234]، بينما تمنع MDSCs الاستجابة المناعية وتحد من الالتهاب، مما يقلل من قدرة خلايا T على قتل خلايا السرطان [235]. يؤدي الاضطراب الخارجي للإيقاع اليومي في أورام الفئران إلى تسريع نمو الورم بسبب انقطاع الإيقاع اليومي الداخلي لخلايا السرطان، مما يعزز تكاثرها [236]. يعزز انقطاع الإيقاع اليومي المركزي نمو الورم من خلال التأثير على إشارات الخلايا غير السرطانية، بينما يثبط تراكم MDSC الاستجابة المناعية الخاصة بالورم [236]. يؤدي اضطراب مسار الإشارات الأدرينالية إلى زيادة تراكم MDSC، مما ينظم خلايا الجذعية الدموية وتقلب التعبير عن CXCL12 [237]، ويؤثر على التعبير عن السيتوكينات ووظيفة الخلايا القاتلة الطبيعية [238].

تعتبر TAM المجموعة الفرعية الأكثر أهمية في TME، حيث تؤثر على نمو الورم وانتشاره [239]. ينظم نقص BMAL1 في البلعميات إنتاج السيتوكينات المحفزة للالتهاب من خلال زيادة HIF1a، وتراكم ROS، وانخفاض NRF2 [240، 241]. يؤثر التوازن بين BMAL1 وHIF1a على استقلاب البلعميات ومناعة مضادة للورم، ويزيد نقص BMAL1 من معدل وفيات الفئران المصابة بالعدوى [242، 243]. يؤدي الحقن المشترك لخلايا السرطان وبلعميات KO Bmal1 إلى تعزيز نمو الورم مع تقليل تسلل خلايا T [240]. تنشيط REV-ERBa يمنع CCL2 وإشاراته السفلية، مما يثبط التصاق الماكروفاجات وهجرتها [244]. تنقسم GAMs إلى نوعين فرعيين M1 وM2 لهما وظائف متعارضة في تقدم الورم الدبقي [245-247]. النوع الفرعي M2 يعزز تكاثر الورم وانتشاره من خلال تقليل تعبير BMAL1 في TAM وتنظيم تعبير البروتينات المرتبطة بالورم وموت الخلايا [248]. هجرة الكريات البيضاء، التي تعتبر حاسمة في تطور الورم، يتم تنظيمها بواسطة الساعة البيولوجية [249]. حذف Bmal1 في الخلايا البطانية يلغي الفرق الزمني في تعبير جزيئات تعزيز الهجرة [250]، بينما يزيد الإفراط في تعبير CLOCK من التصاق الكريات البيضاء بالبطانة من خلال زيادة تعبير ICAM-1 وVCAM-1 وجزيئات أخرى [251]. الإفراط في تعبير CRY1 في الخلايا البطانية يثبط السيتوكينات الالتهابية (IL-1 IL-6، TNF- )، جزيئات الالتصاق (VCAM-1، ICAM-1، e-selectin)، وتفعيل مسار NF-кB، مما يعيق التصاق وحيدات النوى [135].

يُنظم الساعة البيولوجية منتجات خلايا السرطان، والبيئة المجهرية للورم، وتفاعلاتها التبادلية. تُظهر نماذج الفئران لسرطان الثدي والميلانوما أن اضطراب إيقاع الساعة البيولوجية يعزز تكاثر خلايا السرطان، وانتشارها، وخصائصها الجذعية، وانتقالها، ويُحدث بيئة مجهرية مثبطة للمناعة من خلال زيادة نسبة الخلايا المناعية المتغذية (TAM) والخلايا التائية التنظيمية (Treg)، ويعزز تمايز البلعميات إلى نمط مضاد للالتهابات مما يؤدي إلى تقليل تسلل الخلايا النشطة. تفعيل خلايا T [160، 252]. يثبط تفعيل RORy نمو الورم، ويطيل البقاء على قيد الحياة من خلال تعزيز تمايز ووظيفة خلايا Th17، وتقليل مستويات Treg [253]. يحافظ تفعيل RORa على توازن استقلاب الكوليسترول في الخلايا، من خلال تعزيز نشاطها عن طريق إضعاف مسار NF-kB [254].

يتطلب تكرار الحمض النووي وانقسام الخلايا عددًا كبيرًا من مكونات الطاقة الحيوية [255]. يتم تنظيم تخليقها بواسطة آلية تعتمد على الساعة البيولوجية، مما يشير إلى أن الطلب على تخليق دورة الخلية يتم التحكم فيه بواسطة إيقاع الساعة البيولوجية للدورة الأيضية والإمداد البيئي [256، 257]. أظهرت الفئران التي تحمل إزالة جينات الساعة الأساسية أهمية الساعات الوظيفية للإيقاع الانقسام الطبيعي وتقدم خلايا السلف و/أو الخلايا الجذعية في أنواع خلايا مختلفة [258-262]. تلعب الساعة البيولوجية أيضًا دورًا في تنسيق عملية التجديد بعد إحداث ضرر في الجلد [263] والظهارة المعوية [261].

الساعة البيولوجية ليست مكونًا إلزاميًا من دورة الخلية، لكنها تساهم في توقيت الأحداث الخلوية والآليات التكيفية اللازمة لوظيفة الأنسجة المثلى. هناك علاقة كبيرة بين الساعة البيولوجية والخلية.
دورة، مع دليل على تغييرات إيقاع الساعة البيولوجية في وفرة السايتوكينات وتعبير جينات الساعة في مراحل محددة من دورة الخلية. تتحكم الساعة البيولوجية في تعبير CDK والسايتوكينات مثل CDK2 وCDK4 وcyclin D1، بالإضافة إلى مثبطات دورة الخلية بما في ذلك Wee1 وp21 وp27 وp57. ينظم CLOCK-BMAL1 التعبير الإيقاعي لمثبط G2/M WEE1، بينما يتم تنظيم تعبير p21 من خلال التأثيرات المتعارضة لبروتينات ROR وREV-ERB. ينظم NONO، بالتعاون مع بروتين PER، تنظيم إيقاع الساعة البيولوجية لتعبير p16. يرتبط P53 مباشرة بمروج Per2 ويثبط النسخ الذي يتم بوساطة CLOCK-BMAL1.

تكتشف نقاط تفتيش دورة الخلية ضغط النسخ أو تلف الحمض النووي وتؤخر تقدم دورة الخلية لإصلاح أو القضاء على الخلايا التالفة. تتفاعل بروتينات الساعة البيولوجية مع مجمعات البروتينات التفاعلية لنقاط التفتيش لتسهيل استجابات تلف الحمض النووي. قد تحمي هذه العلاقة الخلايا من تلف الحمض النووي الناجم عن الإشعاع فوق البنفسجي من خلال تقييد النسخ خلال الفترات المظلمة وتحسين آليات الإصلاح خلال النهار. يمكن أن ينظم تلف الحمض النووي أيضًا الإيقاعات اليومية ويؤثر على تقدم دورة الخلية.

يعد اضطراب دورة الخلية حدثًا رئيسيًا في تكوين السرطان، وهناك علاقة بين معدل حدوث السرطان واضطراب إيقاع الساعة البيولوجية [272]. يتم تنظيم كل من جينات دورة الخلية وجينات الساعة البيولوجية بشكل غير صحيح في خلايا السرطان [266]. إن استكشاف التفاعل بين إيقاع الساعة البيولوجية ودورة الخلية في السرطان له أهمية كبيرة. ومع ذلك، لا تزال العلاقة السببية بين اضطرابات إيقاع النوم البيولوجي وظهور السرطان وتطوره، وفعالية التحكم في السرطان باستخدام الساعة البيولوجية، وتأثير العلاجات المتعلقة بالسرطان على الساعة البيولوجية غير محسومة [146].

بصرف النظر عن ذلك، فإن الإشارات الناتجة عن الورم مثل عامل تحفيز مستعمرات الخلايا المحببة والماكروفاج (GM-CSF)، عامل تحفيز مستعمرات الخلايا المحببة (G-CSF)، عامل تحفيز مستعمرات الماكروفاج (M-CSF)، عامل الخلايا الجذعية (SCF) وعامل نمو البطانة الوعائية (VEGF)، إلى جانب الإشارات الالتهابية بما في ذلك IFN- ، إيل- IL-6 و TNF-a يتم التعبير عنهما وإطلاقهما بشكل دوري بواسطة خلايا محددة [236]. يمكن أن تؤدي التغيرات في إيقاع الساعة البيولوجية المركزية إلى زيادة إنتاج هذه
عوامل الإشارة في خلايا الورم. يؤدي حذف بروتينات الساعة Cry1 وCry2 إلى زيادة مستمرة في السيتوكينات المؤيدة للالتهابات عبر إشارات NF-кB وPKA، مما يشير إلى التنظيم المباشر لتعبير السيتوكينات بواسطة الجينات الدائرية [75]. يؤدي حذف الجين الخاص بإيقاع الساعة البيولوجية في الخلايا النخاعية إلى تعطيل إيقاع تعبير الكيموكينات وتجنيد الأنسجة لخلايا المونوسيت Ly6Chi [242]. تتأرجح جزيئات الالتصاق والكيموكينات في الخلايا البطانية في إيقاع دائري، مما يؤثر على التصاق الكريات البيضاء والانفصال الخلوي [273].

تنظم مكونات الساعة البيولوجية تعبير عوامل تكوين الأوعية الدموية في خلايا السرطان، مثل HIF1a وARNT وVEGF، مما يعزز نمو الورم وانتشاره [56، 274-276]. يؤدي حذف جين CLOCK إلى تقليل تعبير عوامل تكوين الأوعية الدموية في خلايا سرطان القولون والمستقيم البشرية، بينما يزيد التعبير المفرط لجين CLOCK من ذلك [274]. تظهر أورام زراعة الأنسجة الغريبة مستويات متقلبة من VEGF يتم التحكم فيها بواسطة نسخ PER2 وCRY1 في إيقاع circadian [277]. لا تنظم جينات الساعة البيولوجية إيقاع الساعة البيولوجية ونشاط عوامل النسخ في خلايا السرطان فحسب، بل تؤثر أيضًا على تسلل البلعميات والعدلات والخلايا الشجرية واللمفاويات [224، 225]. تؤدي طفرات جينات الساعة البيولوجية في مرضى السرطان إلى عدم استقرار جيني، ونقص في خلايا T، وزيادة في جزيئات المناعة المثبطة، وهروب من المناعة [97، 278].

في دراسة حول سرطان الثدي، أظهر اضطراب الرحلات الجوية الطويلة المزمن (JL) تأثيره على تطوره [252]. كانت مستويات الدهون في الدم لدى الفئران المصابة بـ JL أعلى، وزادت مقاومة اللبتين والأنسولين، والتي ترتبط بزيادة الوزن والسمنة ومرض السكري من النوع 2 [252،279،280]. انخفض تعبير جينات الساعة البيولوجية Per2 وCry2 في الأورام الأولية للفئران المصابة بـ JL، مع تغييرات ملحوظة في الجينات المعنية في نقل الضوء في الأورام وخلايا المايلوما أحادية النواة [252]. كان تعزيز CRD المتعلق بتكوين الأورام والانتقال يتضمن محور CXCL5-CXCR2. زاد CRD من تعبير Cxcl5، مما أدى إلى زيادة تسلل CXCR2. الخلايا النخاعية (مثل MDSCs) [252]. وقد أدى ذلك إلى تراكم MDSCs وTAM وTAN، مما خلق بيئة ميكروية مثبطة للمناعة [281]. هذه الخلايا تثبط مباشرة استجابة خلايا T وتقلل من تسلل خلايا T CD8، مما يضعف النشاط المضاد للورم [281-284]. إن تثبيط CXCR2 قلل بشكل كبير من انتشار السرطان في الرئة وانتشار العظام في فئران JL [252]. كما أن محور CXCL12-CXCR4 يلعب دورًا حاسمًا في انتشار خلايا السرطان في فئران JL و

الانتشار [252]. تم وصف التحكم في إيقاع الساعة البيولوجية ومشاركته في تثبيط المناعة وانتشار سرطان الثدي بشكل موسع [237، 250، 285-288] (الجدول 1).

إيقاع الساعة البيولوجية هو ظاهرة فسيولوجية شائعة في الطبيعة. لقد تم التعرف عليه بشكل متزايد لتأثيره على فسيولوجيا الجسم ومرضه. الحفاظ على إيقاع الساعة البيولوجية أمر حاسم لوظيفة الخلايا الطبيعية ومسارات الأيض [1]. يمكن أن يؤدي تعطيل إيقاعات الساعة البيولوجية، مثل العمل بنظام المناوبة، إلى تغيير تعبير جينات الساعة وزيادة خطر الإصابة بالأمراض [63].

في الظروف المرضية مثل السرطان والأمراض التحسسية، يؤثر التعبير غير الطبيعي لجينات الساعة على النمط الظاهري ووظيفة خلايا المناعة، بما في ذلك البلاعم [63]، والخلايا الشجرية [81، 289]، واللمفاويات [1، 90، 98، 102، 103]. كما يؤثر على مستويات السيتوكينات والكيموكينات، مما يساهم في تطور أمراض مختلفة.

يُسيطر إيقاع الساعة البيولوجية على تعبير مستقبلات Toll-like، الاستقطاب، وإفراز السيتوكينات في البلاعم من خلال BMAL1، REV-ERBa، ومجمع PER/CRY [63]. يؤدي تعطيل Bmal1 إلى عيوب في هجرة الخلايا الشجرية ويؤثر على توقيت تعبير CD80، مما يؤثر على تضاعف خلايا T [81، 289]. كما ينظم BMAL1 إفراز مستقبلات الكيموكينات في خلايا B، بينما يرتبط CLOCK سلبًا بمستويات IL-10 في خلايا B10، مما يؤثر على إنتاج خلايا T CD4 و خلايا Tr1 [1،90]. تم ملاحظة تذبذب إيقاعي في التضاعف والهجرة في الخلايا، مما يشير إلى إيقاعها البيولوجي الداخلي [91]. علاوة على ذلك، تلعب الجينات المرتبطة بـ Th17 مثل Nfil3 وRorc دورًا في تنظيم الأمراض من خلال الوساطة في الاستجابة المناعية [102].

يؤثر نمط النوم والاستيقاظ بشكل كبير على الأنشطة والوظائف الفسيولوجية للثدييات. يؤثر على السيتوكينات، الالتهاب، إصلاح تلف الحمض النووي، والإجهاد التأكسدي [115]. يمكن أن يعزز النوم الانتقال إلى الدفاع المناعي المعتمد على Th1 ويثبط إفراز الكورتيزول، مما يؤدي إلى زيادة مستويات الميلاتونين [115]. يؤدي نقص النوم إلى تغيير تعبير السيتوكينات المؤيدة للالتهابات ويعطل مسارات نقل الإشارة [128]. تنظم جينات الساعة أيضًا الالتهاب المعوي من خلال التأثير على وفرة بكتيريا الأمعاء المحددة من خلال تقليل تعبير BMAL1 [138]. تؤثر اضطرابات دورة النوم والاستيقاظ الناتجة عن العمل بنظام المناوبة على إيقاعات الساعة البيولوجية في دورة خلايا الدم البيضاء والجينات المتعلقة بمسار إصلاح الحمض النووي [139]. يؤدي هذا الاضطراب إلى إجهاد الشبكة الإندوبلازمية، والإجهاد التأكسدي، وزيادة إنتاج ROS، مما قد يتسبب في وفاة بيولوجية مبكرة [174]. تنظم الالتهابات، السيتوكينات، وخلايا المناعة بشكل متبادل النوم. تعطل الآليات الالتهابية العلاقة بين مدة النوم والوفيات، مما قد يساهم في زيادة خطر الإصابة بأمراض القلب والأوعية الدموية [221].

يرتبط إيقاع الساعة البيولوجية بحدوث السرطان وسرطاناته. تؤثر الجينات الإيقاعية على تعبير جينات السرطان، الأيض، والوظائف الغدد الصماء، مما يساهم في تطور الورم الدبقي، سرطان الثدي، وأورام أخرى [243]. تؤثر طفرات جينات الساعة على خلايا مختلفة في الميكروبيوم الورمي، مما يعزز الهروب المناعي، نمو الورم، ويغير التوازن بين خلايا المناعة المضادة للورم وخلايا المناعة المثبطة للورم. كما تنظم تكاثر خلايا TAM، الهجرة، قدرة التسلل، مستويات Th17 وTreg، و أعداد خلايا T [243]. يوجد ارتباط جزيئي بين دورة الخلية والساعة البيولوجية. يتم التعبير عن جينات الساعة في مراحل محددة من دورة الخلية، مما يؤدي إلى تغييرات إيقاعية في وفرة السيكلين. تنظم البروتينات المشفرة بواسطة الجينات الإيقاعية، مثل BMAL1، CLOCK، PER، الجينات المتعلقة بدورة الخلية مثل Wee1، p21، p16، وp53. تتفاعل بروتينات الساعة البيولوجية مباشرة مع مجمعات البروتينات التفاعلية الخاصة بنقاط التفتيش، وتوسط استجابات تلف الحمض النووي، وتؤثر على تطور السرطان [146]. بالإضافة إلى ذلك، تنظم جينات الساعة السيتوكينات، الكيموكينات، والجزيئات المعززة للهجرة التي تنتجها الأورام، مما يلعب دورًا في تثبيط المناعة وانتشار السرطان [243]. استهداف
جينات الساعة يقدم طرقًا جديدة لعلاج السرطان، والعديد من الأهداف (مثل CLK8 [290]، mTOR [291]) والأدوية (مثل MLN4924 [292]) قيد التطوير مع تجارب سريرية جارية.

بشكل عام، تلعب إيقاعات الساعة البيولوجية دورًا حيويًا في تطوير ووظيفة خلايا المناعة. أكدت الأبحاث الحالية أن أنواع خلايا المناعة المختلفة يتم تنظيمها بواسطة جينات إيقاع الساعة الخاصة بها وكذلك العوامل البيئية أثناء التطور. كما أن توزيع الحالة الوظيفية لهذه الخلايا يتأثر أيضًا بتعبير المنتجات المتعلقة بإيقاع الساعة البيولوجية في الميكروبيوم. بالنسبة لجهاز المناعة ككل، يعمل إيقاع الساعة البيولوجية كلوحة تحكم، مما يؤدي إلى استجابات مختلفة للمؤثرات الخارجية (مثل العدوى البكتيرية أو الفيروسية، التطعيم، إلخ) في أوقات مختلفة من اليوم. على سبيل المثال، قد يكون تلقي لقاح COVID-19 في الصباح أكثر فائدة لصحة المرضى [293]. في السنوات الأخيرة، تم استكشاف العلاقة بين الأيض الطاقي وإيقاع الساعة البيولوجية أيضًا. تظهر الهرمونات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالأيض الطاقي، مثل الأنسولين والجلوكوكورتيكويدات، خصائص إيقاع الساعة البيولوجية. تؤثر هذه الهرمونات بشكل كبير على وظيفة جهاز المناعة، مما يشير إلى أن العلاقة بين جهاز المناعة وإيقاع الساعة البيولوجية ليست مجرد تنظيم مباشر. بالإضافة إلى ذلك، يظهر الكبد، كمركز أيضي في جسم الإنسان، أنماط إيقاع الساعة البيولوجية المميزة في أيض الجلوكوز والدهون [294]. ملاحظة مثيرة أخرى هي فقدان السيطرة على جينات إيقاع الساعة البيولوجية في السرطان، والتي ثبت أن لها تأثيرات متباينة عبر أنواع مختلفة من السرطان [295]. بالنظر إلى تنظيم دورة الخلية الفريد وخصائص الأيض لخلايا الورم، فضلاً عن العلاقة المعقدة بين جهاز المناعة، الأيض الطاقي، وإيقاع الساعة البيولوجية، نفترض أن خلايا الورم تعدل بنشاط خصائصها الإيقاعية لتتكيف مع متطلبات الأيض والتضاعف الخاصة بها. من خلال تحفيز إيقاعات غير منظمة من خلال تغييرات جزيئية في الأسفل، يمكنها التلاعب بالاستجابات المناعية ذات الصلة لتفادي الهجمات من جهاز المناعة. لذلك، قد يكون استعادة إيقاع الساعة البيولوجية في خلايا الورم مع حماية جهاز المناعة من الآثار الضارة لاضطرابات إيقاع الساعة البيولوجية استراتيجية علاجية جديدة محتملة. علاوة على ذلك، قد يثبت مراقبة الجزيئات المتعلقة بإيقاع الساعة البيولوجية أنها نهج فعال لتوقع السرطان وتقييم وظيفة المناعة.

لا ينطبق مشاركة البيانات على هذه المقالة حيث لم يتم إنشاء أو تحليل أي مجموعات بيانات خلال الدراسة الحالية. جميع البيانات التي تم إنشاؤها أو تحليلها خلال هذه الدراسة مدرجة في هذه المقالة المنشورة أو متاحة من المؤلف المراسل عند الطلب المعقول.

MW و YZ: التحقيق، التصور، كتابة المسودة الأصلية. ZG و FC: التحقق، الحصول على التمويل، الإشراف، كتابة المراجعة والتحرير. LC: التصور، إدارة المشروع، الحصول على التمويل، الإشراف، كتابة المراجعة والتحرير.

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (82071848، 82371748).

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى ليهوا تشين.
معلومات إعادة الطبع والإذن متاحة علىhttp://www.nature.com/إعادة الطبع

تظل ملاحظة الناشر Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح. هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلف(ون) 2024

© The Author(s) 2024

Cell Death Discovery (2024)10:199; https://doi.org/10.1038/s41420-024-01960-1

The cycle generated by the earth’s rotation has caused the evolution of circadian rhythms of almost all life forms on the earth [1]. This evolutionarily conservative time maintenance mechanism enables organisms to adapt to the ever-changing environment
[2,3]. In essence, the circadian clock constitutes an automatic regulatory sequence for the expression, accumulation and degradation of clock gene products, forming an autonomous molecular oscillator [3]. The molecular clock in the animals controls the expression of genes that are output throughout the body, thereby controlling the activity and function of different cells and organs over time [4]. Therefore, mutations in the clock gene can lead to changes in various biological rhythmic behaviors [5].

Almost all physiological activities of mammals are regulated by the body’s biological clock, including sleep-wake, eating-fasting, and activity-rest cycle [2]. Its master clock is located in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus, which can process light input signals and transmit timing information to other parts of the body [1]. Peripheral clocks are located in other tissues and organs, some are strictly dependent on the regulation of the central clock (such as the liver), and some remain relatively independent [6]. SCN neurons maintain synchronization and are coupled to each other through synaptic connections [7]. Synchronization signals are transmitted from the SCN clock to the peripheral clock through neural and hormonal stimulation to achieve a coherent rhythm throughout the organism [8, 9].

In humans, the physiological and behavioral circadian rhythms have evolved to form the biological clock that supports the occurrence of wakefulness during the daytime and promotes sleep during the night. Various aspects such as body temperature, metabolism, immune response, etc., exhibit circadian rhythms, and sleep is also a rhythmic behavior. Therefore, disruption of the circadian rhythm can directly impact sleep, and research has shown that light exposure can directly promote wakefulness and reduce sleep propensity [10]. Disturbances in the circadian rhythm can lead to various negative consequences, one of which is Circadian Rhythm Sleep-Wake Disorders (CRSWD). CRSWD is a distinct category of sleep disorders (sleep disorders mainly include

insomnia, circadian rhythm disorders, sleep-disordered breathing, hypersomnia/narcolepsy, parasomnias, and restless legs syndrome/periodic limb movement disorder [11]). According to the classification criteria of ICSD-3, CRSWDs can generally be divided into two categories: one resulting from changes in the endogenous circadian rhythm system and the other due to a mismatch between sleep-wake time and internal circadian rhythm caused by environmental changes [12]. Melatonin, as an endogenous circadian factor that promotes sleep, when used at the appropriate time for treatment, can regulate the sleep-wake cycle [13]. In a placebo-controlled double-blind crossover trial involving 30 patients, it was observed that when patients took 5 mg of melatonin, their endogenous melatonin secretion occurred 1.5 h earlier. PSG analysis indicated that these patients showed advances and shortened sleep onset latency during the treatment period, without significant changes in sleep architecture. Furthermore, compared to before treatment, patients exhibited increased alertness upon waking in the morning and significant improvements in quality of life [14].

The core clock of mammalian circadian rhythms consists of a group of conservative transcription factors, in which the core is the key regulatory transcription activator circadian locomotor output cycles protein kaput (CLOCK), brain and muscle ARNT-like 1 (BMAL1) and neuronal PAS domain-containing protein 2 (neuronal PAS2) [1]. They form heterodimer complex CLOCK-BMAL1 and neuron PAS2-BMAL2 and they act on E-box element on target genes [1]. These target genes include circadian rhythm transcription factors period circadian protein homologue 1 (PER1) and PER2, cryptochrome 1 (CRY1) and CRY2, REV-ERBa (NR1D1) and REV-ERB (NR1D2), etc., all of which act as an inhibitor to the core clock [1].

Transcription of Per and Cry genes is induced by the CLOCK/ BMAL1 complex. After their proteins being synthesized, they accumulate in the cytoplasm and form heterodimers that shuttle between the nucleus and cytoplasm [15]. When the level of PER/ CRY complexes in the nucleus is sufficiently high, they inhibit the transcription of E-box genes (including their own genes) via
blocking CLOCK/BMAL1-mediated transcription [3]. Gene mutations that change the phosphorylation state, mobility, or degradation of PER and CRY proteins may affect the clock speed [16, 17]. PER proteins are subjected to successive phosphorylation events of multiple residues by CK1 and CK1 and by CK2 [17-25], leading to the change of their susceptibility to proteasomal degradation mediated by E3 ubiquitin ligase -TrCP [26, 27]. Whether phosphorylation promotes protein stability or degradation depends not only on the modified residues, but also on the subtle differences in the kinases responsible [3]. For example, phosphorylation of CK1 selective splicing variants has an inverse effect on the stability of PER2 and the length of the circadian rhythm cycle [28]. In addition, the length of the circadian rhythm cycle is closely related to CRY protein abundance [29-36]. Phosphorylated CRY1 and CRY2 become targets for E3 ubiquitin ligases FBXL3 and FBXL21, while JMJD5 can promote CRY1-FBXL3 complexes to target proteasomes, thereby regulating the length of the circadian rhythm cycle via affecting the degradation of CRY proteins [37-42].

Nuclear receptors REV-ERBa and REV-ERB are not only key components of the molecular circadian clock, but also major regulators of metabolism and mood [43-45]. The retinoid-related orphan receptor (ROR) nuclear receptor drives the expression of BMAL1 in the feedforward loop [1]. REV-ERBa inhibits Bmal1 gene expression by binding to the ROR response elements (RRE) located in these gene promoters, and to a lesser extent inhibits Clock gene expression [46-49]. RORa shares DNA binding sites with REV-ERBs [1], and when REV-ERBa inhibits the transcription of Bmal1, the RORa activates it [50]. Pharmacological activation of RORa and ROR , which are the antagonists of REV-ERBa and REV-ERB in the molecular clock, can enhance rhythmic oscillations [51, 52], thereby demonstrating therapeutic potential in mouse models of Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, depression, and obesity [51, 53-55] (Fig. 1).

Circadian rhythms are involved in regulating almost every kind of physiological activity, including mood regulation, cell cycle control, metabolism, and immune responses. In some pathological

conditions, the expression of clock genes also changed. Disruption of circadian rhythm may lead to abnormal cell proliferation, increased gene mutation, and resistance to apoptosis [56, 57], thus participating in the occurrence and development of a variety of diseases, including metabolic, cardiovascular, psychiatric diseases, and cancer. This paper systematically summarizes the molecular mechanism of circadian rhythm. The effects of relevant molecules on the immune system and cancer development; it will help open up new ideas for the treatment of certain diseases from the perspective of circadian rhythm.

Macrophages are one of the important innate immune cells, which induce a series of signal cascade reactions through Toll-like receptors (TLRs) on the cell surface to convert cells into immune active state [58]. A study found that the death caused by E. coli endotoxin changed with the injection time, indicating that the TLR4 signal was under the control of circadian rhythms [59]. In addition, in the TLR9-dependent septicemia model, stronger lethality was observed on the day when TLR9 expression was highest in spleen macrophages and B cells [60]. The expression of Tlr2 and Tlr6 mRNA in spleen macrophages also showed rhythm [60]. Therefore, the circadian rhythms of TLR and its downstream signal pathways may be one of the important mechanisms guiding circadian inflammation.

Macrophages can polarize into pro-inflammatory M1 phenotype with lipopolysaccharide (LPS) or anti-inflammatory M2 phenotype with IL-4, altering glycolysis and oxidative phosphorylation [61, 62]. BMAL1 inhibits septicemia development by affecting glycolysis metabolism. Loss of BMAL1 in macrophages reduces glycolysis control and increases infective shock mediated by PDL1/T cells [63]. Macrophages lacking clock genes Per1 and Per2 exhibit a pro-inflammatory phenotype similar to M 1 [64], while the hormone melatonin promotes M2 phenotype production via RORa and metabolite signals [65, 66]. Proteins Nfil3 and Dbp from circadian rhythm genes competitively bind to the II12b promoter, inhibiting and enhancing expression, respectively [63, 67]. The oscillation of these circadian rhythm proteins provides a rhythmic response to LPS [63].

Macrophages secrete cytokines and chemokines to participate in inflammation. REV-ERBa inhibits macrophage inflammation through various mechanisms [63]. The lack of REV-ERBa increases inflammation in alveolar macrophages [68], while REV-ERBa agonists inhibit inflammatory gene expression in macrophages [69]. REV-ERBa also regulates inflammatory markers in microglia [70] and colitis models [70, 71]. It directly regulates NIrp3 mRNA in a hepatitis model [72]. The PER/CRY complex is another mechanism for inhibiting inflammatory mediators in macrophages. Deletion of Per1 increases Ccr2 expression and migration ability [73], while deletion of Per2 increases TNFa and IL-12 production [74]. CRY negatively regulates the cAMP-PKA-NF-кB pathway [75]. Its deficiency leads to upregulation of II6, Tnfa, and inos. Studies targeting REV-ERBa found that GSK4112 inhibited NLRP3 expression and IL-1 production in an LPS-induced inflammation model [76]. Disruption of circadian rhythm and KLF4 downregulation affect macrophage function in aging mice [77], highlighting the regulatory role of circadian rhythm.

Circadian rhythm can affect the activation of toll-like receptor (TLRs) signaling pathway on the surface of macrophages, regulate the immune activity and inflammatory response of macrophages, and also affect the polarization state and metabolic pathway selection of macrophages, thereby regulating their ability to participate in inflammatory response and immune function. This interaction may be one of the important mechanisms guiding circadian-related inflammation.

Dendritic cells (DCs) are antigen-presenting cells whose activity is influenced by circadian rhythm. In Rev-erba KO or Rev-erb KO mouse bone marrow, DCs extracted show increased expression of MHCII and CD86, indicating maturity [78]. Conversely, the presence of REV-ERB agonist leads to the opposite effect. Defective migration of Bmal1 KO DCs into the spleen was observed, resulting in reduced CD8 T cell activation [79]. In addition, DCs exhibit stronger migration from skin to lymphatic vessels during the day compared to nighttime, and the deletion of Bmal1 gene eliminates this rhythmic migration pattern [80].

DCs also play a vital role in anti-tumor immunity. RNA sequencing analysis reveals that clock genes and clock control genes are expressed rhythmically in migrating DC subsets collected after tumor transplantation or under sham conditions [81]. The rhythmic production of DC costimulatory factors may contribute to the rhythmic activation of cells. The expression of CD80 in different CD11c subgroups is timedependent and controlled by the circadian clock mechanism. Deletion of BMAL1 eliminates the time difference in CD80 expression [81]. The proliferation of OT-I CD8 T cells is dependent on the rhythmic phase of DCs. BMDCs with BMAL1 deficiency fail to induce rhythmic proliferation of OT-I CD8 T cells. Treatment with anti-CD80 antibody eliminates the time difference in OT-I T cell proliferation, confirming the correlation between CD80 and the rhythmic response of CD8 T cells [81]. Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) confirms the rhythmic binding of BMAL1 to the promoter region of the CD80 gene, indicating that CD80 is directly controlled by the clock gene BMAL1 [81].

Circadian rhythms influence the activity and function of dendritic cells (DCs), including maturity, antigen presentation, and migration. Circadian mechanisms also regulate the role of DCs in anti-tumor immunity, including the rhythmic expression of clock genes and related factors and the production of factors associated with the activation of T cells. CD80 plays an important role in the circadian rhythm controlled cell response and is directly transcriptionally controlled by the clock.

The relationship between biological clock genes and lymphocyte development has been well established. Deficiency of BMAL1 negatively affects B cell development, leading to a decrease in their number in the blood and spleen of animals with knocked out BMAL1 gene [82]. However, adoptive transfer experiments have shown that it is not the internal clock of cells but the loss of Bmal1 in the bone marrow microenvironment that hinders cell differentiation [82]. On the other hand, mice with B-cellspecific Bmal1 deficiency do not exhibit any changes in cell differentiation or function [83], suggesting that the influence of clock genes on B cell development is dependent on the microenvironment.

Some research has found that lymphocytes, including B cells, in mouse lymph nodes exhibit circadian rhythm oscillation. The highest number of lymphocytes is observed at the beginning of the active period (nighttime for mice). This rhythmic oscillation is due to the rhythmic homing of cells from blood into lymph nodes and their rhythmic egress from lymph nodes to efferent lymph vessels [84-86]. C-C-chemokine receptor 7 (CCR7) is a key regulatory factor that shows diurnal oscillation in both cells and cells [84]. In addition, the migration of cells to lymph nodes also relies on other receptors, such as C-X-C-chemokine receptor 4 (CXCR4) and CXCR5 [87, 88]. The expression levels of CCR7 and CCL21 peak before and after the onset of nocturnal disease, leading to the recruitment of B cells. This process involves the microenvironment and lymphocytes [84]. Sphingosine 1-phosphate receptor 1 (S1P1) plays a regulatory role in the rhythmic export of cells to efferent lymph vessels [84]. Its rhythmic expression promotes the egress of lymphocytes from lymph
nodes in response to the chemotactic lipid sphingosine 1-phosphate [89].

Circadian rhythm disorders from irregular work and rest can damage B cell function, affecting the immune system. A study discovered that day-night shift rotation (DNSR) reduces nurses’ IL10 B cell (B10 cell) immunosuppressive ability and impairs Tr1 production in B10 cells [90]. Following DNSR, although B10 cell numbers remain unchanged, IL-10 levels decrease. RNA sequencing reveals CLOCK as one of B10 cells’ most highly expressed genes post-DNSR. CLOCK levels correlate negatively with IL-10 mRNA levels. In addition, bB10 cells (pre-DNSR B10 cells) inhibit cell proliferation and induce Tr1 cells, but this immunoregulatory ability weakens after DNSR [90].

At present, the research on the connection between circadian rhythm and lymphocytes is still little, and the regulation and influence of circadian rhythm on B cells need to be further explored.

cells. cells are one of the important cells that participate in adaptive immune response, and they eliminate intracellular infection, control chronic infection, and eliminate tumor by producing cytokines (such as IL-2, IFN- , and TNF- ) and cytotoxic molecules (perforin and granzyme) [91]. A study confirmed the expression of Per1 in CD8 T cells of mouse spleen and the continuous rhythmic expression of PER2 protein in vitrocultured cells , indicating that cells have endogenous and cellular autonomic circadian clock.

T cells exhibit rhythmic expression of chemokine receptors and surface molecules, leading to migratory patterns and daily oscillations in organs. Cortisol regulates CXCR4 expression on T cells, impacting migration to CXCL2-expressing sites [92, 93], thus regulating Naive T cell levels in human blood. Naive T cells peak at night and are low during the day. Human effector T cells peak during the day under catecholamine control [93]. In mice, and cells are highest at the start of the day (ZT4-5) and lowest at the start of the night (ZT16) [94, 95]. Lymph nodes show an opposite rhythm, indicating T cell redistribution from blood to lymph nodes at night [84, 86]. This rhythmic migration is due to rhythmic CCR7 expression in CD8 T cells and CCL21 (CCR7 ligand) in lymph nodes [91]. In addition, CD127 expression in T cells induces CXCL4 (CXCL12 receptor) expression via IL-7, mediating daily oscillation in lymph organs [86].

Circadian rhythm mainly influences T cell proliferation. Stimulation of T cells collected from mouse lymph nodes during a 24 -h dark/dark cycle at night results in faster proliferation [96]. However, the proliferation rhythm is eliminated in T cells from mice with negative transcription factor CLOCK and deletion of the essential clock gene Bmal1 in mature cells [79, 96]. A study using high-throughput RNA sequencing data from the Cancer Genome Atlas discovered that circadian rhythm disruption in tumors is associated with increased tumor-associated T cell dysfunction in human cancers. The study analyzed 716 samples from 29 different types of cancer. In most cancer types, the expression of a negative regulator of the circadian clock was downregulated, while a positive regulator, ARNTL2, was upregulated. This indicates that tumors lose the oscillating mRNA expression of the circadian clock gene. In addition, high expression of the clock gene correlated positively with levels of T cell dysfunction markers such as PD-1 and CTLA-4 in tumor samples. These findings suggest a connection between dysregulated clock gene expression and T cell dysfunction in aging and cancer, implying that circadian rhythms influence adaptive immune cell aging [97].

Disruption of circadian rhythms in tumors may lead to impaired function of tumor-associated T cells. In addition, T cells exhibit different chemotaxis and migration patterns
under circadian rhythms, and the rhythmic production of cortisol and catechol amines regulates the migration and localization of T cells. The proliferation of T cells is also influenced by circadian rhythms, showing a faster rate of proliferation at night. These research findings suggest that circadian rhythms have important effects on the activity, migration, and proliferation of T cells, and disruption of circadian rhythms may impact immune responses, including tumor immune responses.

Helper cells. Some studies have found that the specific circadian rhythm gene, rather than the main circadian rhythm regulator (BMAL1/CLOCK), regulates the specific CD4 Tn response [98]. In CD4 Tn, the circadian rhythm gene Per1 suppresses the expression of Th1 cytokines by inhibiting Akt/mTORC1 signal transduction [99], shifting the balance of helper T cell subsets towards Th2 and increasing the level of secreted antibodies during stress response [98].

Among T cells, Th17 is influenced by circadian rhythms. Th17 is a group of CD4 helper T cells that play a vital role in immune response and are related to inflammatory reactions and autoimmune diseases. It secretes cytokines such as IL-17 and IL-22 and its differentiation and function depend on the transcription factor RORyt [100]. Genes Nfil3 and Rorc play a key role in Th17 differentiation [101]. NFIL3 expression is regulated by REV-ERBa and REV-ERB [102]. Expression levels of NFIL3 and RORyt were measured in a study, showing opposite patterns during day and night [101]. The study also found increased Th17 cells in the intestine and spleen of NFIL3 knockout mice ( ) and inhibition of Th17 differentiation with NFIL3 overexpression [101].

Circadian rhythms have a significant impact on Th17 cells beyond CD4 Tn cells. A study found that circadian rhythm disorder (CRD) contributes to the development of allergic rhinitis (AR) by affecting Th2 and Th17 immune responses [103]. Levels of IL-4, IL6, IL-13, and IL-17A significantly increased in AR patients, while IFN- levels decreased [103]. In addition, levels of Th2 and Th17 cells were upregulated, while Th1 and Treg cells were downregulated [103]. These findings suggest that CRD enhances the immune response mediated by Th2 and Th17 in AR by regulating Th1/Th2 and Th17/Treg immune balance [103]. Therefore, changes in clock activity can increase susceptibility to allergic diseases.

In CD4 T cells, the circadian rhythm gene Per1 inhibits Akt/ mTORC1 signaling, thereby suppressing the expression of Th1 cell cytokines and promoting the differentiation of CD4 T cells towards Th2 cells. This results in a tendency for CD4 T cells to produce more Th2 cells at specific time points and an increase in antibody levels under stress stimuli. In addition, the circadian rhythm also plays a significant role in Th17 cells in helper T cells. The circadian rhythm genes Nfil3 and Rorc play crucial roles in the differentiation of Th17 cells, and the quantity and functionality of Th17 cells may vary at different time points. Circadian rhythm disruption (CRD) can also affect the immune response of Th2 and Th17 cells, leading to excessive activation of these cells and increased susceptibility to allergic diseases. In summary, the circadian rhythm regulates the differentiation, function, and immune response of T cells by modulating specific circadian rhythm genes and signaling pathways, thus influencing the balance and function of the immune system.

Natural killer (NK) cells are innate immune cells that directly eliminate tumor cells without activation. They release granzyme B, perforin, and pro-inflammatory cytokines, such as TNF-a [104, 105]. NK cells also regulate other white blood cells, including macrophages, T cells, and dendritic cells (DCs), through cytokine release [106]. Circadian rhythms affect NK cell function, including cytokine release and cytolytic factors [107], but their impact on NK cell development and function remains unclear.

A recent study investigated the impairment of NK cell function and potential mechanisms due to circadian rhythm disorders [108]. Using a chronic shift-lag mouse model, researchers observed decreased NK cell numbers in the spleen and lungs. They also found an increase in aging NK cells (CD27 CD11b ) and a decrease in functional NK cells ( ) in the bone marrow and spleen. These findings suggest that circadian rhythm disorders promote NK cell apoptosis and aging, affecting their quantity and function [108]. In addition, disrupted circadian rhythms led to changes in NK cell receptor expression, with increased immature receptors (CD117 and CD127) and decreased functional receptors (Ly49D, Ly49G2, and Ly49H) [108].

Circadian rhythm disorder significantly reduces the secretion of CD107a and IFN- by NK cells, impairing their ability to clear MHC-I deficient tumor cells and B16 melanoma cells [108]. IL-15 signal transduction is crucial for NK cell survival and homeostasis in the peripheral immune environment [109]. CD122 plays a key role in maintaining IL-15 stimulation [110]. In NK cells with circadian rhythm disorders, the expression of Eomes and T-bet, important transcription factors that regulate NK cell development and function, is altered [108]. Eomes affects NK cell development and function by transcriptionally regulating CD122, and its expression is significantly reduced in NK cells from mice with chronic shift-lag. Blocking CD122 abolishes the inhibitory effect of chronic shift-lag on CD107a and IFN- secretion by NK cells [108], indicating that circadian rhythms indirectly affect IL-15 levels through the regulation of Eomes and CD122 expression, thereby impacting NK cell immune monitoring ability (Fig. 2).

In general, disruption of the circadian rhythm has a negative impact on NK cell function. Research has found that circadian disruption leads to a decrease in the number of NK cells, an increase in aging NK cells, and affects the expression of NK cell receptors. In addition, circadian disruption reduces the immune surveillance ability of NK cells and their ability to clear tumor cells. These effects may be achieved through the regulation of key transcription factors and signaling pathways. Further research is helpful in gaining a deeper understanding of the relationship between the circadian rhythm and the development and function of NK cells.

As one of the three major cycles that affect mammalian physiological activity and function, the sleep-wake cycle plays an important role in maintaining normal physiological functions and ensuring normal gene expression. Especially for the immune system, sleep, as a pathway for specifically regulating the endocrine and autonomic nervous systems, should systematically control immune functions [111, 112]. Human studies have confirmed that regular sleep has a promoting effect on the primary immune response [113, 114], so maintaining a regular sleep-wake cycle can promote the formation of a good immune system in the body.

Sleep affects immune status by regulating the secretion of cytokines by cells. The cytokine balance between helper T cell 1 (Th1) and helper T cell 2 (Th2) is crucial for immune response. Th1 cells release interferon- (IFN- ), interleukin-2 (IL-2), and tumor necrosis factor-a (TNF-a), promoting cellular (type 1) reactions against intracellular pathogens. Th2 immunity (IL-4, IL-5, IL-10, and IL-13) stimulates humoral (type 2) defense against extracellular pathogens [115]. Nocturnal sleep has been reported to benefit the transition to Th1-mediated immune defense. IFN- and IL-10
production in vitro exhibit a circadian rhythm, with a peak at around 03:00 during nighttime sleep [116, 117]. Sleep, particularly in the early stages dominated by slow-wave sleep (SWS), inhibits glucocorticoid release and promotes growth hormone (GH) and prolactin release [118-120]. These factors shift the Th1/Th2 balance towards Th1 advantage, promoting cell-mediated immune responses against intracellular pathogens [121, 122]. Another study confirmed that nocturnal sleep inhibits Th2 cell production compared to wakefulness, while the effect on Th1 cells remains unclear. Thus, sleep induces a shift towards Th1 dominance [115]. Inhibition of cortisol release and increased melatonin levels at night may contribute to Th1 dominance [116, 123]. However, this effect is limited to early sleep, mainly SWS, and reversed during late sleep dominated by rapid eye movement (REM) sleep, with lower CD4 cell ratio of IFN- during sleep compared to wakefulness [115]. Elderly individuals with sleep and SWS disorders show reduced GH and prolactin release, leading to Th2 dominance [124, 125].

Besides helper T cells, sleep also decreases TNF-a production by T suppressor/cytotoxic (CD8 ) cells [115]. This decrease may be related to effector CD8 cells and memory T cells rather than initial cells, reflecting changes in migration to extravascular tissues [126, 127]. However, the role of cell recycling in sleepmediated immune function remains unclear.

The impact of sleep on the immune system is mainly reflected in cytokine balance and the number of immune cells. Sleep can promote the activation of Th1 cells, increase the production of IFN- and other related cytokines, thereby enhancing the ability to combat intracellular viruses and bacteria. At the same time, sleep can inhibit the release of cortisol, promote the release of growth hormone and prolactin. These factors work together to tilt the Th1/Th2 cytokine balance towards Th1 dominance, thereby enhancing cell-mediated immune responses. In addition, sleep can also suppress the production of Th2 cells, reduce the production of IL-4 and other related cytokines by CD4 cells, further strengthening the Th1 dominance. Furthermore, sleep can also reduce the production of TNF-a by CD8 cells. Although the specific mechanisms are not fully understood, the effects of sleep on the immune system primarily occur during the early stages of sleep (dominated by slow-wave sleep), while rapid eye movement (REM) sleep may have opposite effects. In elderly individuals, sleep and slow-wave sleep disorders lead to a reduction in the release of GH and prolactin, and the cytokine balance tilts towards Th2 dominance. In conclusion, sufficient sleep helps maintain the normal function of the immune system, especially enhancing cellmediated immune responses. However, further research is still needed to understand the impact of sleep on immune function.

Peripheral blood and intestinal inflammation are regulated by clock genes. Inflammation is linked to sleep, with various inflammatory cytokines involved in the development of cardiovascular diseases, diabetes, and other conditions. Sleep has an impact on the activities of these cytokines [128]. Epidemiological data suggest that insufficient sleep can increase the risk and mortality of chronic diseases due to its influence on the inflammatory mechanism [129]. Experimental sleep deprivation studies have reported alterations in immune response, leading to elevated levels of inflammatory markers such as IL-6, TNF-a, and C-reactive protein [130-132]. The cellular origin of pro-inflammatory cytokine activity remains unclear, although monocytes are considered the main contributors in peripheral blood [128]. TLR4-mediated lipopolysaccharide ligation has been shown to significantly increase IL-6 and TNF-a production in peripheral blood monocytes following sleep deprivation [128]. Moreover, insufficient sleep can induce changes in the expression of pro-inflammatory cytokines, the circulating clock gene PER1, immediate early response genes, as well as signal transduction mediators and growth factor-related genes. Structural functional bioinformatics analysis has revealed

the involvement of multiple signaling pathways, including the nuclear factor KB inflammatory signaling system and classic hormone and growth factor response pathways, in the transcriptional response of white blood cells to sleep deprivation [128].

The biological clock plays a crucial role in regulating intestinal immunity and maintaining intestinal barrier function. For instance, knockout of BMAL1 disrupts the homeostasis of gut group 3 innate lymphoid cells (ILC3), leading to impaired intestinal epithelial reactivity, microbiome imbalance, increased susceptibility to intestinal infection, and lipid metabolism disorders [133]. BMAL1 knockout mice also exhibit reduced small intestinal crypts and impaired intestinal regeneration after radiation-induced
gastrointestinal syndrome [134], highlighting the importance of BMAL1 in intestinal cell proliferation. Overexpression of CRY1 inhibits vascular inflammation induced by sleep deprivation (SD), possibly through the NF-kB and cyclic adenosine monophosphate/ protein kinase A (cAMP/PKA) pathways in vivo [135]. Acute sleep deprivation (ASD) commonly affects shift workers, causing lethargy and persistent fatigue. ASD contributes to inflammation by influencing the intestinal microbiota. In elderly individuals with insomnia, the impact of physical activity on sleep disorders can be regulated by the gut microbiota’s primary metabolites. The genus Monoglobus shows a negative correlation with physical activity and sleep latency, while exhibiting a positive correlation with sleep
efficiency [136]. Disruption of circadian rhythm leads to decreased abundance of specific bacteria (e.g., Lactobacillus and Ruminococcus) along with downregulation of BMAL1 [137]. Increased Candidatus Arthromitus in the SD group may contribute to colitis, intestinal barrier dysfunction, and systemic inflammation [138]. Thus, circadian rhythm and microbiota composition play crucial roles in maintaining intestinal barrier function. Adequate sleep and self-regulation of the microbiota might have protective effects against disease and help restore the intestinal epithelial barrier, thereby improving inflammation [138].

In summary, it can be found that sleep regulates cytokine secretion and intestinal microflora through various pathways, affecting the inflammatory state of the body, thereby participating in the development of various inflammatory diseases. Breaking the regular sleep-wake cycle may increase the secretion of proinflammatory cytokines in the peripheral blood, thus increasing the risk of cardiovascular disease, diabetes, etc. In addition, the downregulation of specific flora abundance and clock gene expression caused by acute sleep deprivation may lead to colitis, intestinal barrier dysfunction, and other diseases.

Sleep has a significant impact on the immune system and inflammatory state. Lack of sleep can lead to increased inflammatory response, increased risk of chronic diseases, and mortality rates. Experimental sleep deprivation can alter immune responses and increase circulating levels of inflammatory markers. Sleep deprivation also affects changes in the expression of proinflammatory cytokines and signaling pathways. The biological clock plays a crucial role in intestinal immunity and barrier function. Knocking out the BMAL1 gene disrupts the homeostasis of intestinal group 3 innate lymphoid cells, leading to impaired intestinal responsiveness and dysbiosis. Adequate sleep and selfregulation of the gut microbiota can protect the immune system, improve inflammatory status, and restore intestinal barrier function. Therefore, sleep has a significant impact on the body’s inflammatory state and the development of inflammatory diseases, and disrupting the circadian rhythm may increase the risk of various diseases.

Circadian rhythm disorders caused by chronic imbalances between behavioral rhythms and external light/dark cycles are common [139] and have been proven to be causes of various cancers [140] and chronic health problems [141]. Increasing evidence suggests that circadian rhythms affect multiple pathways regulating cancer outcomes, including cell cycle checkpoints, apoptosis, cell proliferation, DNA repair, and inflammation [142-150].

Circadian rhythm disorders are prevalent among night shift workers [151], leading to severe disruption of human biomolecular pathways during and after night shifts [152-155], thus increasing the cancer risk [156]. Rodent studies confirm this view, showing that changes in circadian rhythms can disrupt cell cycles, alter metabolism, promote tumor development, induce tumor cell growth, and trigger tumor-related immune cell remodeling under simulated shift work and chronic jet lag conditions [157-160].

A study analyzed volunteers subjected to simulated day or night shift schedules, which resulted in circadian rhythm disorders, and collected blood samples to study their impact on endogenous biological processes [139]. The findings revealed impaired effectiveness of repairing DNA damage caused by endogenous sources and exogenous irradiation in white blood cells obtained under night shift conditions. Moreover, compared to the simulated night shift group, night infrared (IR) exposure led to more DNA damage in the white blood cells of the simulated night shift group [139]. In addition, it reports for the first time the circadian rhythm imbalance of cell cycle and DNA repair regulatory factors in human leukocytes after night shifts. Key
genes involved in cell cycle checkpoint activation and DNA repair were identified, including ATR, CDK4, CDKN1C, TP53, WEE1, ERCC6, TP53, RPA3, XPA, H2AFX, PARP1, and RAD50. Disruption of the circadian rhythm of these genes’ expression suggests a direct link between cellular circadian rhythm mechanisms and the carcinogenic risk of night shift work [139].

Severe sleep deprivation can have even more serious consequences, leading to premature death in model organisms such as dogs, rats, cockroaches, and flies [161-164]. Insufficient sleep impairs brain function [165-167], and some propose that sleep’s function is to prevent oxidative stress in the brain [168]. Studies have reported changes in antioxidant response during sleep deprivation [169-173]. Insufficient sleep can result in ROS accumulation due to increased production, decreased elimination, or both [174]. While most ROS is generated during mitochondrial oxygen-dependent ATP synthesis [175], it is also produced as a byproduct of oxidative protein folding [176]. Lack of sleep can induce endoplasmic reticulum stress, leading to oxidative stress and increased demand for protein folding, thereby increasing ROS production [177-179]. However, many studies have not detected significant oxidative damage in the brain during sleep deprivation [180-183], potentially due to effective activation of antioxidants and cellular protective mechanisms [170, 184-188]. Notably, gastrointestinal diseases are often associated with sleep restriction and abnormal ROS levels, which may contribute to tumor development through mechanisms like DNA damage and inflammation [189-196] (Fig. 3).

Factors that primarily contribute to the disruption of circadian rhythm include insufficient sleep, night shift work, and sleep deprivation. These factors can lead to disturbances in DNA damage repair and oxidative stress, increasing the risk of cancer. Sleep deficiency can interfere with the circadian rhythm, affecting multiple pathways such as cell cycle, apoptosis, cell proliferation, DNA repair, and inflammation, thereby influencing cancer outcomes. Night shift workers commonly experience circadian rhythm disruption, which increases their susceptibility to cancer. Animal studies have also shown that alterations in circadian rhythm can disrupt cell cycle, alter metabolism, promote tumor development, and induce tumor cell growth and immune cell reshaping under simulated night shift and long-term jet lag conditions. Research has also found circadian rhythm disruption in genes involved in DNA repair pathways among volunteers following a simulated night shift schedule. The effectiveness of the DNA damage repair process is compromised in white blood cells obtained during night shift work. The circadian rhythm of cell cycle and DNA repair regulatory factors in human leukocytes is also imbalanced after night shifts, and these genes are crucial for identifying and repairing DNA damage. Severe sleep deprivation may also lead to premature death in model organisms, possibly due to impaired brain function. During sleep deprivation, changes occur in the brain’s antioxidant response, and insufficient sleep can result in the accumulation of reactive oxygen species (ROS), leading to oxidative stress. Considering the pathological implications associated with sleep restriction, such as gastrointestinal disorders, abnormal levels of ROS may contribute to tumorigenesis through various mechanisms.

Sleep and immunity have a bidirectional relationship. Sleep affects the immune system, and changes in the immune system can also affect sleep. Diseases characterized by low-level inflammation have been identified, including degenerative diseases, cardiovascular diseases, metabolic disorders, and chronic pain [197-199]. Inflammatory disorders are considered a potential mechanism linking sleep time and mortality [200,201].

In a 7-year study of over 2500 elderly men, short sleep time (5 h) was associated with an increased risk of all-cause mortality due to

increased inflammatory burden (i.e., composite measurement of CRP, IL-6, TNF-a, sTNF-RII, IFN- levels); adjusting for the inflammatory burden significantly weakens this relationship, indicating that the inflammatory mechanism disrupts the relationship between sleep time and mortality [202]. Elevated CRP has been recognized as a marker for predicting cardiovascular risk [203], suggesting that inflammation may be the basis for the association between sleep deprivation and mortality, as well as the association between sleep deprivation and increased cardiovascular disease risk [204].

In most studies, inflammatory status is measured by levels of CRP or IL-6, and higher levels of CRP and IL-6 are associated with reduced sleep time [205]. The mediating effect of inflammation seems to be unique to short sleep duration, as other sleep characteristics such as sleep latency or nocturnal wakefulness are not associated with the burden of inflammation. Elevated inflammatory markers have also been reported in prolonged sleep (8 or 9 h) [206-210], although uncontrolled disease processes may
mediate this relationship. However, some studies have not found an association between inflammatory markers and sleep time [211-215], increasing the heterogeneity of research results.

Regarding inflammatory cytokines, poor subjective sleep quality has been associated with higher production of stimulating IL-1, TNF-a, and IL-6 in a cross-sectional study [213]. Recently, poor sleep quality in postmenopausal women has been associated with increased IL-6 responsiveness after psychological and social stress [216]. In terms of immune cells, an increase in white blood cell count was associated with lower sleep efficiency and higher nocturnal awakening time in women [217-220].

In summary, the bidirectional relationship between sleep and immunity is supported by research results. Inflammatory markers, cytokines, and immune cells are connected to sleep, and their dysregulation may be a potential mechanism for sleep disorders affecting disease risk [221]. Changes in sleep during illness, such as infection, may have implications for recovery [222].

A regulatory mechanism exists between circadian rhythms and cancer genes, which is relevant to tumor incidence and malignancy. Gene rhythms associated with metabolism and endocrine function significantly contribute to tumor development. Abnormal biological rhythm disrupts the body’s innate and acquired immunity, promoting malignant tumor progression. Studies have shown that in the malignant thyroid nodule group, the expression level of CLOCK and BMAL1 was significantly higher, while the expression level of CRY2 was lower [223]. The infiltration of immune cells such as macrophages and neutrophils in renal clear cell carcinoma correlates with rhythmic changes in the expression of CLOCK-related components (BMAL1, PER, etc.) [224, 225]. CLOCK also participates in regulating the microglial content of glioblastoma stem cells (GSC) in glioblastoma (GBM) through transcriptional regulation of chemokines [226]. Single-cell transcriptomic analysis has revealed an association between circadian rhythm disturbance (CRD) and poor prognosis as well as drug resistance in lung adenocarcinoma. CRD score was significantly associated with poor prognosis and resistance to anti-cancer treatments, including chemotherapy and tyrosine kinase inhibitor (TKI) therapy, in LUAD patients [227]. Disruption of clock-related genes promotes colorectal cancer in a model of gut organoids, and loss of circadian rhythm was observed in patient-derived organoids [228].

The cell cycle and biological clock function as biological oscillators, and there is increasing evidence of molecular connections between these two oscillators using various coupling mechanisms, which are often misregulated in cancer cells [146]. The cell cycle consists of four stages: G1, S, G2, and M phases, with the G0 phase representing a resting state when cells temporarily stop dividing. Key cell cycle molecules (cyclins) regulate cell cycle progression in a sequential and unidirectional manner [229], and the kinase activity of cyclin-CDK complexes triggers specific events at defined times in the cell cycle [230]. The biological clock acts as a biological oscillator with conceptual and mechanical similarities to the mechanisms controlling cell division. Both the cell cycle and biological clock exhibit sequential stages of transcription/translation, protein modification, and degradation [146]. Their interaction jointly regulates tumor cell activity. A deeper understanding of the molecular links between the cell cycle and circadian clock may serve as the foundation for designing innovative therapeutic strategies.

The tumor microenvironment (TME) significantly influences tumor development. TME usually consists of the extracellular matrix (ECM) and various cells including congenital myeloid cells [such as tumor-associated macrophages (TAM), dendritic cells, and myeloid suppressor cells (MDSC)], lymphocytes [such as T cells and natural killer (NK) cells], and endothelial cells [231]. Understanding the molecular aspects of the circadian clock in tumorigenesis and the symbiotic interaction between cancer cells and the TME is currently a major focus of cancer research [232]. Recent evidence indicates that circadian rhythm disturbances are associated with increased cancer risk and promote metastasis in multiple tumor types. The biological clock also plays a regulatory role in tumor growth and several cancer markers. Furthermore, studies have confirmed that the circadian rhythm regulates immune function, which is of great significance in cancer treatment since the immune system plays a crucial role in eliminating and suppressing malignant tumors.

The concentration of immune-mediated hormones and cytokines fluctuates rhythmically throughout the day [148]. Any disturbance in the balance between anti-tumor immune cells and pro-tumor immunosuppressive cells may enable cancer cells to escape immune control, resulting in disease occurrence and development [233]. T cells and myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) play a
major role. T cells are responsible for selectively killing tumor cells [234], whereas MDSCs inhibit immune response and limit inflammation, reducing the ability of T cells to kill cancer cells [235]. External disturbance of circadian rhythm in mice tumors leads to faster tumor growth due to the interruption of internal circadian rhythm of cancer cells, amplifying their proliferation [236]. Interruption of central circadian rhythm promotes tumor growth by affecting non-cancer cell signaling, while MDSC accumulation inhibits tumor-specific immune response [236]. Adrenergic signaling pathway disruption increases MDSC accumulation, regulating hematopoietic stem cells and CXCL12 expression periodic fluctuation [237], and impacting cytokine expression and cytolytic function of NK cells [238].

TAM is the most significant subgroup in TME, influencing tumor growth and metastasis [239]. BMAL1 depletion in macrophages regulates pro-inflammatory cytokine production through HIF1a upregulation, ROS accumulation, and NRF2 downregulation [240, 241]. The balance between BMAL1 and HIF1a affects macrophage metabolism and anti-tumor immunity, and BMAL1 knockout increases septic mice mortality [242, 243]. Co-injection of cancer cells and Bmal1 KO macrophages promotes tumor growth with reduced T cell infiltration [240]. Activation of REV-ERBa inhibits CCL2 and its downstream signals, suppressing macrophage adhesion and migration [244]. GAMs divide into M1 and M2 subtypes with opposite functions in glioma progression [245-247]. M2 subtype promotes tumor proliferation and metastasis by reducing BMAL1 expression in TAM and regulating tumorrelated protein expression and cell apoptosis [248]. Leukocyte migration, crucial in tumor development, is regulated by the biological clock [249]. Bmal1 deletion in endothelial cells eliminates time difference in migration-promoting molecule expression [250], while CLOCK overexpression increases leukocyte adhesion to endothelium via upregulating ICAM-1, VCAM-1, and other molecules [251]. CRY1 overexpression in endothelial cells inhibits inflammatory cytokines (IL-1 , IL-6, TNF- ), adhesion molecules (VCAM-1, ICAM-1, e-selectin), and NF-кB pathway activation, impairing monocyte adhesion [135].

The circadian clock regulates cancer cell products, TME, and their symbiotic interactions. Breast cancer and melanoma mouse models show that circadian rhythm disorder enhances cancer cell proliferation, spread, stemness, and metastasis, induces immunosuppressive TME by increasing TAM and regulatory T cell (Treg) proportion, and promotes differentiation of macrophages into an anti-inflammatory phenotype resulting in reduced infiltration of active T cells [160, 252]. RORy activation inhibits tumor growth, prolongs survival by enhancing Th17 cell differentiation and function, and reducing Treg levels [253]. RORa activation maintains cholesterol metabolism balance in cells, enhancing their activity through weakening the NF-kB pathway [254].

DNA replication and cell division require a large number of bioenergy components [255]. Their synthesis is regulated by a clock-dependent mechanism, indicating that the demand for cell cycle biosynthesis is controlled by the circadian rhythm of the metabolic cycle and environmental supply [256, 257]. Mice carrying core clock gene-specific ablation have shown the importance of functional clocks for the normal mitotic rhythm and progression of progenitor cells and/or stem cells in various cell types [258-262]. The circadian clock also plays a role in coordinating the regeneration process after inducing damage to the skin [263] and intestinal epithelium [261].

The circadian clock is not a mandatory component of the cell cycle but contributes to the timing of cellular events and adaptive mechanisms needed for optimal tissue function [146]. There is a significant relationship between the circadian clock and the cell
cycle, with evidence of circadian rhythm changes in cyclin abundance and clock gene expression at specific cell cycle stages [264, 265]. The circadian clock controls the expression of CDK and cyclins such as CDK2, CDK4, and cyclin D1, as well as cell cycle inhibitors including Wee1, p21, p27, and p57 [266]. CLOCK-BMAL1 regulates the circadian expression of the G2/M inhibitor WEE1 [267], while the expression of p21 is regulated by antagonistic effects of ROR and REV-ERB proteins [268]. NONO, in association with PER protein, regulates the circadian rhythm regulation of p16 expression [263]. P53 directly binds to the Per2 promoter and inhibits CLOCK-BMAL1-mediated transcription [269].

Cell cycle checkpoints detect replication stress or DNA damage and delay cell cycle progression to repair or eliminate damaged cells. Circadian clock proteins interact with checkpoint reactive protein complexes to mediate DNA damage responses [146]. This coupling may protect cells from DNA damage caused by ultraviolet radiation by limiting replication during dark periods and optimizing repair mechanisms during the day [259,270]. DNA damage can also regulate circadian rhythms and affect cell cycle progression [271].

Cell cycle disruption is a key event in carcinogenesis, and there is a correlation between cancer incidence rate and circadian rhythm disorder [272]. Both cell cycle genes and biological clock genes are incorrectly regulated in cancer cells [266]. Exploring the interaction between circadian rhythm and the cell cycle in cancer is of great significance. However, the causal relationship between sleep circadian rhythm disorders and cancer emergence and progression, the effectiveness of controlling cancer with the circadian clock, and the impact of cancer-related therapies on the biological clock remain unresolved [146].

Apart from that, tumor-induced signals such as granulocytemacrophage colony-stimulating factor (GM-CSF), granulocyte-CSF (G-CSF), macrophage-CSF (M-CSF), stem cell factor (SCF) and vascular endothelial growth factor (VEGF), along with inflammatory signals including IFN- , IL- , IL-6, and TNF-a, are rhythmically expressed and released by specific cells [236]. Central circadian rhythm changes can increase the production of these
signal factors in tumor cells. Knockout of clock proteins Cry1 and Cry2 leads to a constitutive increase in pro-inflammatory cytokines via NF-кB and PKA signals, indicating direct regulation of cytokine expression by circadian genes [75]. Deletion of myeloid-specific circadian rhythm gene disrupts chemokine expression rhythm and Ly6Chi monocyte tissue recruitment [242]. Adhesion molecules and chemokines in endothelial cells oscillate in a circadian rhythm, affecting leukocyte adhesion and exosmosis [273].

Clock components regulate the expression of angiogenesis factors in cancer cells, such as HIF1a, ARNT, and VEGF, promoting tumor growth and metastasis [56, 274-276]. CLOCK knockout decreases angiogenesis factor expression in human colorectal cancer (CRC) cells, while CLOCK overexpression increases it [274]. Xenotransplantation tumors show fluctuating VEGF levels controlled by PER2 and CRY1 transcription in a circadian rhythm [277]. Clock genes not only regulate the circadian rhythm and transcription factor activity of cancer cells but also affect macrophage, neutrophil, dendritic cell, and lymphocyte infiltration [224, 225]. Clock gene mutations in cancer patients lead to genomic instability, T cell depletion, upregulation of immunosuppressive molecules, and immune escape [97, 278].

In a study on breast cancer, chronic jet lag (JL) was shown to impact its development [252]. JL mice had higher blood lipid levels and increased leptin and insulin resistance, which are related to weight gain, obesity, and type 2 diabetes [252,279,280]. Expression of Per2 and Cry2 clock genes decreased in primary tumors of JL mice, with significant changes in genes involved in light transduction in the tumors and mononuclear myeloma cells [252]. CRD-related enhancement of tumor genesis and metastasis involved the CXCL5-CXCR2 axis. CRD increased Cxcl5 expression, leading to increased infiltration of CXCR2 myeloid cells (such as MDSCs) [252]. This promoted the accumulation of MDSCs, TAM, and TAN, creating an immunosuppressive microenvironment [281]. These cells directly inhibit T-cell response and suppress CD8 T-cell infiltration, impairing anti-tumor activity [281-284]. Inhibition of CXCR2 significantly reduced lung metastasis and bone diffusion in JL mice [252]. The CXCL12-CXCR4 axis also plays a crucial role in JL mouse cancer cell metastasis and

diffusion [252]. Its control of circadian rhythm and its involvement in immunosuppression and breast cancer metastasis have been extensively described [237, 250, 285-288] (Table 1).

Circadian rhythm is a widespread physiological phenomenon in nature. It has been increasingly recognized for its impact on the body’s physiology and pathology. Maintaining circadian rhythm is crucial for normal cellular function and metabolic pathways [1]. Disruption of circadian rhythms, such as through shift work, can alter clock gene expression and increase disease risk [63].

In pathological conditions like cancer and allergic diseases, abnormal clock gene expression affects the phenotype and function of immune cells, including macrophages [63], dendritic cells [81, 289], and lymphocytes [1, 90, 98, 102, 103]. It also influences cytokine and chemokine levels, contributing to the development of various diseases.

Circadian rhythm controls Toll-like receptor expression, polarization, and cytokine secretion in macrophages through BMAL1, REV-ERBa, and PER/CRY complex [63]. Disruption of Bmal1 causes migration defects in dendritic cells and affects CD80 expression timing, impacting T cell proliferation [81, 289]. BMAL1 also regulates chemokine receptor secretion in B cells, while CLOCK negatively correlates with IL-10 levels in B10 cells, influencing CD4 T cell and Tr1 cell production [1,90]. Circadian oscillation of proliferation and migration has been observed in cells, indicating their endogenous circadian rhythm [91]. Furthermore, Th17-related genes Nfil3 and Rorc play a role in disease regulation through immune response mediation [102].

The sleep-wake cycle significantly influences mammalian physiological activities and functions. It affects cytokines, inflammation, DNA damage repair, and oxidative stress [115]. Sleep can promote the transition to Th1-mediated immune defense and inhibit cortisol release, leading to increased melatonin levels [115]. Lack of sleep alters pro-inflammatory cytokine expression and disrupts signal transduction pathways [128]. Clock genes also regulate intestinal inflammation by affecting the abundance of specific gut bacteria through BMAL1 downregulation [138]. Shift work-induced sleep-wake cycle disorders impact circadian rhythms in white blood cell cycle and DNA repair pathwayrelated genes [139]. This disruption induces endoplasmic reticulum stress, oxidative stress, and increased ROS production, potentially causing premature biological death [174]. Inflammation, cytokines, and immune cells reciprocally regulate sleep. Inflammatory mechanisms disrupt the relationship between sleep duration and mortality, potentially contributing to increased cardiovascular disease risk [221].

Circadian rhythm is associated with cancer incidence and malignancy. Rhythmic genes influence the expression of cancer genes, metabolism, and endocrine functions, contributing to the development of glioblastoma, breast cancer, and other tumors [243]. Clock gene mutations affect various cells in the tumor microenvironment, promoting immune escape, tumor growth, and altering the balance between anti-tumor immune cells and pro-tumor immunosuppressive cells. They also regulate TAM cell subsets’ proliferation, migration, infiltration ability, Th17 and Treg levels, and T cell numbers [243]. Molecular coupling exists between the cell cycle and the biological clock. Clock genes are expressed at specific stages of the cell cycle, resulting in rhythmic changes in cyclin abundance. Proteins encoded by rhythmic genes, such as BMAL1, CLOCK, PER, regulate cell cycle-related genes like Wee1, p21, p16, and p53. Circadian clock proteins directly interact with checkpoint reactive protein complexes, mediate DNA damage responses, and impact cancer development [146]. In addition, clock genes regulate cytokines, chemokines, and migration-promoting molecules produced by tumors, playing a role in immunosuppression and cancer metastasis [243]. Targeting
clock genes offers new avenues for cancer treatment, and various targets (e.g., CLK8 [290], mTOR [291]) and drugs (e.g., MLN4924 [292]) are under development with ongoing clinical trials.

Overall, circadian rhythms play a vital role in the development and functioning of immune cells. Current research has confirmed that various immune cell types are regulated by their own circadian rhythm genes as well as environmental factors during development. The distribution and functional status of these cells are also influenced by the expression of circadian rhythm-related products in the microenvironment. For the immune system as a whole, circadian rhythm acts like a control panel, leading to different responses to external stimuli (such as bacterial or viral infections, vaccination, etc.) at different times of the day. For example, receiving the COVID-19 vaccine in the morning may be more beneficial for patients’ health [293]. In recent years, the relationship between energy metabolism and circadian rhythm has also been explored. Hormones closely linked to energy metabolism, such as insulin and glucocorticoids, exhibit circadian rhythm characteristics. These hormones significantly impact immune system function, suggesting that the connection between the immune system and circadian rhythm is not simply a direct regulation. In addition, the liver, as the metabolic hub of the human body, demonstrates distinct circadian rhythm patterns in glucose and lipid metabolism [294]. Another intriguing observation is the loss of control of circadian rhythmrelated genes in cancer, which has been demonstrated to have varying effects across different types of cancer [295]. Considering the unique cell cycle regulation and metabolic properties of tumor cells, as well as the intricate relationship among the immune system, energy metabolism, and circadian rhythm, we hypothesize that tumor cells actively modify their rhythmic characteristics to adapt to their specific metabolism and proliferation requirements. By inducing dysregulated rhythms through downstream molecular changes, they can manipulate relevant immune responses to evade attacks from the immune system. Therefore, restoring the circadian rhythm in tumor cells while protecting the immune system from the detrimental effects of circadian rhythm disruptions could potentially serve as a novel therapeutic strategy. Furthermore, monitoring circadian rhythmrelated molecules may prove to be an effective approach for cancer prediction and immune function evaluation.

Data sharing is not applicable to this article as no datasets were generated or analyzed during the current study. All data generated or analyzed during this study are included in this published article or available from the corresponding author on reasonable request.

MW and YZ: Investigation, visualization, writing-original draft. ZG and FC: Validation, funding acquisition, supervision, writing-review & editing. LC: Conceptualization, project administration, funding acquisition, supervision, writingreview & editing.

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (82071848, 82371748).

The authors declare no competing interests.

Correspondence and requests for materials should be addressed to Lihua Chen.
Reprints and permission information is available at http://www.nature.com/ reprints

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024