Estresse social crônico e o sistema circadiano: efeitos no relógio central e oscilador hepático periférico

Estresse social crônico e o sistema circadiano: efeitos no relógio central e oscilador hepático periférico

Alternative title Chronic social stress and the circadian system: Effects on the central clock and peripheral liver oscillator
Author Ota, Simone Marie Autor UNIFESP Google Scholar
Advisor Suchecki, Deborah Autor UNIFESP Google Scholar
Hut, R.A. Google Scholar
Institution Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
University of Groningen-The Netherlands (RUG)
Graduate program Psicobiologia
Abstract We humans, as well as several living organisms, present biological rhythms of approximately 24 hours, such as the sleep-wake cycle, locomotor activity, temperature, and hormone secretion rhythms. The maintenance of these rhythms allows us to perform various activities in an optimal time of the day, taking advantage of the variation of light and temperature, among other environmental cycles. The 24-h light-dark cycle is caused by the Earth’s rotation and influences other environmental cycles, such as temperature, humidity, availability of food, among others. Therefore, it is conceivable that organisms have evolved a temporal system that allows them to carry out certain activities at the best time of the day, according to the variation of the environmental cycles. Several studies have shown that in mammals, this temporal system, also called the circadian (about a day) system, has a primary center in the brain that generates an internal rhythm of approximately 24 h, located in the suprachiasmatic nucleus (SCN). In addition, some other body tissues are also able to perform their functions, such as metabolism, with the same period as the rhythm produced by the SCN. This is because every cell appears to have a “molecular clock”, provided by the production of some proteins in a near 24-h cycle, the so-called “clock proteins”. Thus, some peripheral tissues, i.e., other than the SCN, are able to maintain the rhythm in cultures outside the body. However, the SCN produces a stronger and lasting rhythm, aligns its rhythm to the environment light-dark cycle and sends signals to synchronize the rhythms generated in other tissues. For that reason, it is also known as the central clock or oscillator. It is important that our circadian system is synchronized with the external environment, so that we can feed, sleep and wake up, work, among other activities, at optimal times. And when this does not happen, we can see the negative effects on attention, sleep, digestion. This is what happens when we travel to places with time zones different from ours or also with shiftworkers. Since it is important to keep our organism adjusted to external time, and the most important environmental clue for this to occur in mammals is the light-dark cycle, it is desirable that the central oscillator is not influenced by clues other than light or clues that cannot be predicted. With this knowledge in mind, we wondered if the SCN would be protected from stressful situations, which are often unpredictable and unavoidable in today’s society. For humans, social stress, especially when chronic, is one of the most severe kinds of stress and is related to the development of metabolic diseases and some psychiatric disorders, such as depression. However, in our life, it is difficult to establish a cause-andeffect relationship among stress, circadian rhythm disturbance and health consequences. For this reason, we used a social stress model in mice to assess the stress effects on the circadian activity rhythm, which is controlled by the SCN and easily evaluated. We proposed to answer the following questions: 1. Is chronic social stress capable of affecting the circadian 106 locomotory rhythm and maintenance of the rhythm in the central clock? 2. Is chronic social stress capable of affecting the temporal organization of the central oscillator and oscillation in a peripheral tissue? In Chapter 2, we reviewed some studies that investigated the effects of stress on circadian rhythms. Previous studies from our group have already shown that acute social stress reduces locomotor activity. However, the time when there is a sharp increase in activity and the duration (period) of the activity-rest cycle do not change. This evidence suggests that the SCN continues to maintain its rhythm and is not affected by social stress. Regarding the effects of chronic stress, the results of studies available in the literature are still contradictory. One of the reasons may be that the shape of the observed rhythms can be altered by several factors. For example, the body temperature rhythm may reflect, not only the rhythm expressed by the biological clock, but also be altered by some momentary physical activity or exposure to external heat or cold. Therefore, as discussed in the second chapter, several methodological precautions must be taken so that the observed rhythm is not masked by external or other internal factors. In Chapter 3, we investigated whether the rhythm of locomotor activity is affected by chronic social stress. For this experiment, we kept our animals in constant red light (which is almost imperceptible to rodents and would resemble constant darkness). To measure locomotor activity, we used activity wheels. Part of the animals were exposed to an aggressive mouse (for the social stress) a few minutes, for ten days, during the active time or during the inactive time, and their rhythms were compared to animals that were not exposed to stress. Interestingly, , the stressed mice showed reduced levels of activity, but the time of the sharp increase in activity and the period of the activity rhythm did not change, similar to that observed with acute social stress in rats. These results suggest that the SCN is not affected by chronic social stress either. In Chapter 4, we replicated the observations of the previous chapter regarding the effect of stress on the rhythm of locomotor activity. During the 10 days of social stress, the defeated animals showed lower activity levels, but the time of the sharp increase in activity and the period were not different from the non-stressed animals. In addition, we also analyzed the rhythm of expression of one clock protein in tissue cultures of SCN and liver. This analysis is important because it allows us to observe the effects of stress in these isolated areas. For this experiment, we used transgenic mice that produced this clock protein linked to a protein that produces bioluminescence, which permitted us to detect luminescence, and therefore, the rhythm of protein production. As expected, the rhythm of this clock protein production in the SCN was not different between the two groups. However, in the liver, the peak time of production of the clock protein was delayed in tissues from animals that had experienced social stress. These results support the idea that the central clock is protected against stress, but the peripheral clock in the liver is not. In Chapter 5, we investigated a possible mechanism by which stress could affect the Summary 107 clock in the liver, as observed in the experiment of the previous chapter. Our supposition was that corticosterone, a hormone that is released in greater amounts in response to stress, could be responsible for changing the rhythm of production of that clock protein in the liver. To investigate this hypothesis, we made liver and SCN tissue cultures of transgenic mice of the same type as in the previous chapter and added corticosterone in part of the cultures. The rhythm of production of the clock protein was not different in the treated from the untreated SCN cultures. On the contrary, the peak time of this protein production was delayed in liver cultures in which the hormone was added in medium concentrations. Again, the result supports the idea that the SCN is not affected by stress, but the peripheral clock in the liver is, and a possible mechanism is the increase of corticosterone in response to social stress. Considering the idea that desynchrony between the SCN- and the peripheral clock time, such as in the liver, may have consequences for mental health, we also performed behavioral tests after the social stress protocol in mice (Chapter 6). The tests were chosen with the aim to allow us to observe if the animals display depressive-type behaviors, i.e., those resembling what is observed in depressed patients. Although some research groups had already observed these effects after social stress, we did not find differences between stressed and non-stressed animals. Perhaps the age of the animals (adults, while other groups use adolescent animals) could explain this difference, since youngsters may be more vulnerable to the effects of stress. In addition, other methodological differences in the stress protocol and behavioral assessment might explain the different results we have obtained compared to other works. In Chapter 7, we discussed the results obtained, comparing them to other studies and their implications, in addition to suggesting future experiments. Regarding the effects of stress on the rhythm of locomotor activity, although one study observed a change in the time of peak activity, our results are in agreement with others, which did not observe changes in the rhythm. This disagreement may be related to methodological differences, such as keeping the animals in constant red light, whereas the other study, kept the animals under a light-dark cycle. Other studies have also showed that injection of corticosterone or a similar synthetic hormone also changed the peak of clock protein production, in the liver and other peripheral organs. Moreover, other hormones that are secreted in response to stress, such as adrenaline and noradrenaline, also appear to have the same effect. Therefore, we proposed a future study to block these hormones and evaluate if the effects of chronic social stress would still be the same. In addition, since other areas of the brain also appear to show rhythmic production of clock proteins, it would be interesting to study the effects of social stress in areas associated with emotional regulation, since desynchronization of biological rhythms seems to be associated with disorders such as depression. In conclusion, the central biological clock seems to be protected against the effects of chronic social stress, but the peripheral clock in the liver does not. The desynchronization between these clocks 108 and perhaps other peripheral clocks may be associated with health problems, such as the ones observed in shiftworkers.

Nós humanos, assim como diversos organismos vivos, apresentamos ritmos biológicos de aproximadamente 24 h, por exemplo, o ciclo sono-vigília, ritmo de atividade locomotora, temperatura e de secreção de hormônios. A manutenção desses ritmos nos permite realizar diversas atividades no melhor horário do dia, aproveitando a variação de luz e temperatura, entre outros ciclos ambientais. O ciclo claro-escuro de 24 h é causado pela da rotação da Terra e influencia outros ciclos ambientais, como temperatura, humidade, disponibilidade de alimento, entre outros. Portanto, é concebível que os organismos tenham evoluído um sistema temporal que os permite realizar certas atividades no melhor horário do dia, de acordo com a variação dos ciclos ambientais. Diversos estudos mostraram que nos mamíferos, esse sistema temporal, também chamado de sistema circadiano (cerca de um dia), tem um centro primário no cérebro que gera um ritmo interno de aproximadamente 24 h, localizado no núcleo supraquiasmático (NSQ). Além disso, outros tecidos do corpo também são capazes de realizar suas funções, por exemplo, metabolismo, com o mesmo período do ritmo produzido pelo NSQ. Isso porque todas as células parecem ter um “relógio molecular”, provido pela produção de algumas proteínas num ciclo próximo a 24 h, as chamadas “proteínas relógio”. Deste modo, alguns tecidos periféricos, isto é, outros que não o NSQ, são capazes de manter o ritmo em culturas fora do corpo. No entanto, o NSQ produz um ritmo mais robusto e duradouro, alinha seu ritmo ao ciclo claro-escuro ambiental e manda sinais para sincronizar os ritmos gerados em outros tecidos. Por essa razão, ele é também conhecido como relógio, ou oscilador, central. É importante que nosso sistema circadiano esteja sincronizado ao horário do ambiente externo para que possamos nos alimentar, dormir e acordar, trabalhar, entre outras atividades em horários mais favoráveis. E quando isso não ocorre, podemos ver os efeitos negativos na atenção, sono, digestão. Isso ocorre, por exemplo, quando viajamos para lugares com fuso horário muito diferente do nosso ou com trabalhadores de turno. Uma vez que é importante manter nosso organismo ajustado aos horários externos, e a pista ambiental mais importante para que isto ocorra em mamíferos é o ciclo claro-escuro, é de se desejar que o oscilador central não seja influenciado por outras pistas diferentes da luminosidade ou pistas que não sejam previsíveis. Com isto em mente, nos perguntamos se o NSQ seria protegido de situações de estresse, que geralmente são imprevisíveis e muitas vezes inevitáveis na sociedade atual. Para nós humanos, o estresse social, principalmente quando crônico, é um dos mais graves e está relacionado ao desenvolvimento de doenças metabólicas e alguns distúrbios psiquiátricos, como a depressão. No entanto, no nosso dia-a-dia é difícil estabelecer uma relação de causa e consequência entre estresse, distúrbio do ritmo circadiano e consequências na saúde. Para isso, utilizamos um modelo de estresse social em camundongos para avaliar seus efeitos no ritmo circadiano de atividade, que é controlado pelo NSQ e simples de ser avaliado. Nós propomo-nos a responder as seguintes questões: 1. O estresse social crônico é capaz de afetar o ritmo circadiano de locomoção e 110 manutenção do ritmo do oscilador central ? 2. O estresse social crônico é capaz de afetar a organização temporal do oscilador central e oscilação de um tecido periférico? No capítulo 2, nós revisamos alguns estudos que investigaram os efeitos do estresse nos ritmos circadianos. Estudos prévios do nosso grupo já haviam demonstrado que o estresse social agudo reduz drasticamente os níveis de atividade locomotora em ratos. Porém, o horário em que há um aumento acentuado na atividade locomotora e a duração (período) do ciclo de atividade-descanso não são alterados. Essas evidências sugerem que o NSQ continua a manter seu ritmo e não foi afetado pelo estresse social. No entanto, os dados disponíveis na literatura sobre os efeitos do estresse crônico ainda eram contraditórios. Isso porque o formato dos ritmos observados pode ser alterado por diversos fatores. Por exemplo, o ritmo de temperatura corporal exibido pode ser não apenas resultado do ritmo expressado pelo relógio biológico, como também alterado por alguma atividade física momentânea ou exposição ao frio ou calor externo. Portanto, como discutido no segundo capítulo, diversos cuidados metodológicos devem ser tomados para que o ritmo observado não seja mascarado por fatores externos ou resultado de outros fatores internos. No capítulo 3, nós investigamos se o ritmo de atividade locomotora é afetado pelo estresse crônico social. Para este experimento, mantivemos nossos animais em luz vermelha constante (que é quase imperceptível para roedores, o que se assemelharia ao escuro constante). Para medir a atividade locomotora, utilizamos rodas de atividade. Parte dos animais foi expostas a um camundongo agressivo (para o estresse social) durante alguns minutos, por dez dias, durante a fase de atividade ou fase de inatividade, e seus ritmos foram comparados a animais que não foram expostos ao estresse. Interessantemente, os camundongos estressados apresentaram níveis de atividade reduzida, mas o horário de início da atividade e o período do ritmo de atividade não se modificaram, de modo semelhante ao observado com estresse social agudo em ratos. Esses resultados sugerem que o NSQ também não é afetado pelo estresse social crônico. No capítulo 4, replicamos as observações do capítulo anterior em relação ao efeito do estresse o ritmo de atividade locomotora. Durante os 10 dias de estresse social, os animais derrotados apresentaram redução nos níveis de atividade, mas o horário em que há aumento acentuado de atividade e o período não foram diferentes dos animais não estressados. Além disso, também analisamos o ritmo de expressão de uma proteína relógio em culturas de tecido do NSQ e fígado. Essa análise é importante porque nos permite observar os efeitos do estresse nessas áreas isoladas. Para isso, utilizamos camundongos transgênicos que produziam essa proteína relógio ligada a uma proteína que produz bioluminescência, o que nos permitiu detectar o ritmo de produção da proteína através da luminescência. Como esperado, o ritmo de produção dessa proteína relógio no NSQ não foi diferente entre os dois grupos. Já no fígado, o horário de pico de produção da proteína relógio aconteceu mais tarde nos tecidos provenientes de animais que passaram pelo estresse social. Esses resultados fortalecem a ideia de que o relógio central é protegido contra o estresse, mas o Sumário 111 relógio periférico presente no fígado não. No capítulo 5, investigamos um possível mecanismo pelo qual o estresse possa afetar o relógio presente no fígado, como observado no experimento do capítulo anterior. Nossa suposição foi de que a corticosterona, um hormônio que é liberado em maior quantidade em resposta ao estresse, poderia ser responsável por alterar o ritmo de produção dessa proteína relógio no fígado. Para investigar essa hipótese, fizemos culturas de tecidos do fígado e do NSQ de camundongos transgênicos do mesmo tipo utilizado no capítulo anterior e adicionamos corticosterona em parte dessas culturas. Como esperado, o ritmo de produção da proteína relógio não foi diferente nas culturas de NSQ tratadas e não tratadas. No entanto, o horário do pico de produção dessa proteína foi atrasado nas culturas de fígado em que o hormônio foi adicionado em concentrações medianas. Novamente o resultado fortalece a ideia de que o NSQ não é afetado pelo estresse, mas o relógio periférico do fígado sim e um mecanismo possível é o aumento de corticosterona em resposta ao estresse social. Considerando a ideia de que esse desalinhamento entre o horário do relógio no NSQ e de relógios periféricos, como o do fígado, possa trazer consequências para a saúde mental, nós também realizamos testes comportamentais após o protocolo de estresse social em camundongos (Capítulo 6). Os testes utilizados foram escolhidos com o objetivo de observar se os animais apresentam comportamentos tipo-depressivos, isto é, que se assemelham a um comportamento observado em pacientes deprimidos. Apesar de alguns grupos observarem esses efeitos após o estresse social, nós não vimos diferenças entre os animais estressados e não estressados. Talvez a idade dos animais utilizados (adultos, enquanto outros grupos utilizam animais adolescentes) possa explicar não termos observados tais efeitos, uma vez que jovens possam estar mais vulneráveis aos efeitos do estresse. Além disso, outras diferenças metodológicas no protocolo de estresse e avaliação de comportamento podem explicar os resultados diferentes que obtivemos em relação a outros trabalhos. No capítulo 7, discutimos os resultados obtidos, comparando-os com outros trabalhos na área e suas implicações, além de sugerir experimentos futuros. Em relação aos efeitos do estresse no ritmo de atividade locomotora, embora um trabalho tenha observado mudança no horário de pico de atividade, nossos resultados vão ao encontro de outros trabalhos que não observaram mudanças no ritmo. Essa discordância pode estar relacionada a diferenças metodológicas empregadas, como manutenção dos animais em luz vermelha constante, enquanto outro estudo manteve os animais sob ciclo claro-escuro. Outros estudos também observaram que injeção de corticosterona ou de um hormônio sintético semelhante também muda o pico de produção da proteína relógio observada no fígado e em alguns outros órgãos periféricos. Além disso, outros hormônios que também são secretados em resposta ao estresse, como a adrenalina e noradrenalina também parecem ter o mesmo efeito. Por isso, propusemos um estudo futuro para bloquear esses 112 hormônios e observar se os efeitos do estresse social serão os mesmos. Adicionalmente, como outras áreas do cérebro também parecem apresentar produção rítmica de proteínas relógio, seria interessante estudar os efeitos do estresse social em áreas associadas à regulação emocional, tendo em vista que a dessincronização de ritmos biológicos parece estar associada a distúrbios como a depressão. Em conclusão, o relógio biológico central parece estar protegido contra os efeitos do estresse crônico social, mas o relógio periférico do fígado não. Essa dessincronização entre esses relógios e talvez outros relógios periféricos pode estar associada a problemas de saúde, como os observados em trabalhadores de turno.
Keywords Chronic social stress
Circadian rhyhtm
Sleep wake cycle
Suprachiasmatic nucleus
Locomotor activity
Estresse social crônico
Ritmo circadiano
Ciclo vigília-sono
Núcleo supraquiasmático
Atividade locomotora
Language English
Sponsor University of Groningen-The Netherlands (RUG)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Date 2019-12-18
Published in OTA, Simone Marie. Chronic social stress and the circadian system: Effects on the central clock and peripheral liver oscillator. 2019. 118 f. Tese (Doutorado em Ciências) - Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), São Paulo.
Research area Psicobiologia do Estresse e Medicina Comportamental
Knowledge area Neurobiologia da Emoção, Cognição e Motivação
Publisher University of Groningen-The Netherlands (RUG)
Extent 118 p.
Access rights Open access Open Access
Type Thesis

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Name: 2019 OTA, SIMONE MARIE.Doutorado.pdf
Size: 9.501Mb
Format: PDF
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