DOI: https://doi.org/10.3389/fendo.2024.1414463
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38808108
تاريخ النشر: 2024-05-14
المؤلف: Rüssel J. Reiter وآخرون
الموضوع الرئيسي: إيقاع الساعة البيولوجية والميلاتونين
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة أدلة على أن الثدييات، بما في ذلك البشر، تستمد الميلاتونين من مصدرين متميزين، كل منهما يؤدي أدوارًا فسيولوجية مختلفة. المصدر الأول، المعروف باسم المصدر #1، هو الغدة الصنوبرية، التي تنتج الميلاتونين بطريقة دورية، حيث يحدث ذروة التركيب والإفراز في الليل. ومن الجدير بالذكر أن المؤلفين يعتقدون أن هذه الغدة تمثل أقل من 5% من إجمالي إنتاج الميلاتونين في الثدييات. يؤثر الميلاتونين المنتج بواسطة الغدة الصنوبرية بشكل أساسي على الساعة البيولوجية، مما يؤثر على كل من النواة فوق التصالب والأعضاء الطرفية من خلال إجراءات معتمدة على المستقبلات.
على النقيض من ذلك، يشمل المصدر #2 الميلاتونين الذي يتم تصنيعه في أنسجة متنوعة، من المحتمل داخل الميتوكوندريا للخلايا، والتي تشكل الغالبية العظمى من إنتاج الميلاتونين. يلعب هذا الميلاتونين الخارجي دورًا كبيرًا في تنظيم الأيض والحفاظ على حالة الأكسدة والاختزال، حيث يعمل محليًا داخل خلايا المنشأ وربما بطريقة باراكرين على الخلايا المجاورة. على عكس الميلاتونين الصنوبرية، لا يتبع هذا التركيب إيقاعًا دوريًا، وتبقى العوامل التي تنظم إنتاجه في هذه المواقع غير معروفة إلى حد كبير. يقترح المؤلفون أن تركيز الميلاتونين في هذه الخلايا قد يتأثر بحالة الأكسدة والاختزال تحت الخلايا وقد يكون قابلًا للتحفيز تحت الضغط، مشابهًا للآليات الملاحظة في خلايا النباتات.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الفهم التاريخي والشكلاني للغدة الصنوبرية وهياكلها المرتبطة عبر أنواع الفقاريات المختلفة. حددت الدراسات المبكرة وجود مستقبلات ضوئية في الغدة الصنوبرية، مما يشير إلى دورها كـ “عين ثالثة” تستجيب للضوء. كانت اكتشاف الميلاتونين، وهو هرمون تفرزه الغدة الصنوبرية، في أواخر الخمسينيات علامة على تحول كبير في تركيز البحث، كاشفًا أن الميلاتونين يتم إنتاجه ليس فقط في الغدة الصنوبرية (المصدر #1) ولكن أيضًا في الأنسجة الخارجية للغدة (المصدر #2)، مع آليات تنظيمية ووظائف متميزة لكل مصدر.
تحدد الورقة المسار الحيوي لتخليق الميلاتونين من السيروتونين، مع تسليط الضوء على دور الإنزيم N-acetyltransferase (NAT) في إنتاجه، خاصة خلال المرحلة المظلمة من دورة الضوء: الظلام. تم تأكيد هذا التركيب الدوري للميلاتونين، الذي يكون أعلى في الليل، عبر العديد من الأنواع الثديية، بما في ذلك البشر. تؤكد المقدمة على أهمية فهم العلاقة بين التعرض للضوء وتخليق الميلاتونين، بالإضافة إلى الروابط العصبية التي تربط النظام البصري بالغدة الصنوبرية، والتي تؤثر على نشاطها ووظيفتها.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على الأدوار المتعددة للميلاتونين، خاصة وظائفه خارج الغدة الصنوبرية. أشارت الدراسات الأولية إلى أن الميلاتونين الفموي لم يؤثر على توزيع الصبغة في الميلانوسيتات البشرية، مما دفع نحو فهم تأثيره على الفسيولوجيا التناسلية. أظهرت الأبحاث أن الغدة الصنوبرية والميلاتونين يؤثران بشكل كبير على القدرات التناسلية في الأنواع الحساسة للضوء، مع وجود تباينات موسمية في إفراز الميلاتونين تتوافق مع الدورات التناسلية. ومن الجدير بالذكر أن انهيار التكاثر في الهامستر السوري تحت فترات ضوئية قصيرة كان مرتبطًا بفقدان إيقاع الميلاتونين، مما يثبت الدور الحاسم للغدة الصنوبرية في فسيولوجيا الثدييات.
علاوة على ذلك، يوضح القسم تنظيم تخليق الميلاتونين وآثاره الأوسع على البيولوجيا الدورية والأكسدة والاختزال. يتم إنتاج الميلاتونين ليس فقط في الغدة الصنوبرية ولكن أيضًا في أنسجة خارجية متنوعة، بما في ذلك الميتوكوندريا، التي تعتبر مواقع حيوية لتخليقه ووظائفه المضادة للأكسدة. يعتبر هذا الميلاتونين الخارجي ضروريًا للحفاظ على حالة الأكسدة والاختزال وحماية الخلايا من الإجهاد التأكسدي، خاصة استجابة للتحديات البيئية. تفترض الورقة أن التاريخ التطوري للميلاتونين يسبق الغدة الصنوبرية، مما يشير إلى وجوده في كائنات متنوعة، بما في ذلك النباتات واللافقاريات، حيث يلعب أدوارًا حيوية في حماية الخلايا وتنظيم الأيض. بشكل عام، تؤكد وظائف الميلاتونين المتنوعة على أهميته في كل من التنظيم الدوري وآليات الدفاع الخلوية عبر الأنواع.
DOI: https://doi.org/10.3389/fendo.2024.1414463
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38808108
Publication Date: 2024-05-14
Author(s): Rüssel J. Reiter et al.
Primary Topic: Circadian rhythm and melatonin
Overview
This article presents evidence that mammals, including humans, derive melatonin from two distinct sources, each serving different physiological roles. The first source, referred to as Source #1, is the pineal gland, which produces melatonin in a circadian manner, with peak synthesis and release occurring at night. Notably, the authors speculate that this gland accounts for less than 5% of total melatonin production in mammals. The melatonin produced by the pineal gland primarily influences the circadian clock, affecting both the suprachiasmatic nucleus and peripheral organs through receptor-mediated actions.
In contrast, Source #2 encompasses melatonin synthesized in various tissues, likely within the mitochondria of cells, which constitutes the majority of melatonin production. This extrapineal melatonin plays a significant role in metabolic regulation and redox homeostasis, acting locally within the cells of origin and potentially in a paracrine manner on neighboring cells. Unlike pineal melatonin, this synthesis does not follow a circadian rhythm, and the factors regulating its production at these sites remain largely unknown. The authors suggest that the concentration of melatonin in these cells may be influenced by the subcellular redox state and could be inducible under stress, similar to mechanisms observed in plant cells.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the historical and morphological understanding of the pineal gland and its associated structures across various vertebrate species. Early studies identified the presence of photoreceptors in the pineal gland, suggesting its role as a “third eye” responsive to light. The discovery of melatonin, a hormone secreted by the pineal gland, in the late 1950s marked a significant shift in research focus, revealing that melatonin is produced not only in the pineal gland (Source #1) but also in extrapineal tissues (Source #2), with distinct regulatory mechanisms and functions for each source.
The paper outlines the biosynthetic pathway of melatonin from serotonin, highlighting the role of the enzyme N-acetyltransferase (NAT) in its production, particularly during the dark phase of the light:dark cycle. This cyclical synthesis of melatonin, which is higher at night, has been confirmed across numerous mammalian species, including humans. The introduction emphasizes the importance of understanding the relationship between light exposure and melatonin synthesis, as well as the neural connections linking the visual system to the pineal gland, which influence its activity and function.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the multifaceted roles of melatonin, particularly its functions beyond the pineal gland. Initial studies indicated that oral melatonin did not affect pigment distribution in human melanocytes, prompting a shift towards understanding its influence on reproductive physiology. Research demonstrated that the pineal gland and melatonin significantly impact reproductive capabilities in photosensitive species, with seasonal variations in melatonin secretion correlating with reproductive cycles. Notably, the Syrian hamster’s reproductive collapse under short photoperiods was linked to the loss of melatonin rhythm, establishing the pineal gland’s critical role in mammalian physiology.
Furthermore, the section elaborates on the regulation of melatonin synthesis and its broader implications for circadian and redox biology. Melatonin is produced not only in the pineal gland but also in various extrapineal tissues, including mitochondria, which serve as crucial sites for its synthesis and antioxidant functions. This extrapineal melatonin is essential for maintaining redox homeostasis and protecting cells from oxidative stress, particularly in response to environmental challenges. The paper posits that the evolutionary history of melatonin predates the pineal gland, suggesting its presence in diverse organisms, including plants and invertebrates, where it plays vital roles in cellular protection and metabolic regulation. Overall, melatonin’s diverse functions underscore its importance in both circadian regulation and cellular defense mechanisms across species.