Immuunsysteem, microbioom en biologische klok deel 3

Deel 3: Evolutionaire context

Het circadiane ritme van gedrag en biologische processen is een fundamenteel gegeven in alle zoogdieren en ook in veel andere levensvormen, zoals planten en zelfs sommige bacteriën. Ondanks honderden duizenden jaren van evolutionaire druk is het overeind gebleven. Het circadiane ritme moet dus wel enorme voordelen hebben in de strijd om de overleving van de soort.

De eenvoudigste biologische klok die we kennen is de klok van cyanobacteriën die bestaat uit drie enzymen die pulseren in een gesloten cyclus van fosforylering en defosforylering. Dit voorkomt DNA replicatie overdag als de zon schadelijk UV-licht uitzendt. Zo vergroot het de overlevingskansen en vruchtbaarheid van de bacterie. In dierlijke cellen is de biologische klok veel complexer en wordt hij georkestreerd door de suprachiasmatische kern, met melatonine als boodschapperstof. Een van de dingen die deze complexe biologische klok doet is ’s nachts DNA repareren, dat overdag beschadigd is geraakt door het UV-licht. Een functie die dus vergelijkbaar is met die van de cyanobacterie. Verder is de biologische klok op cellulair (en mitochondriaal) niveau sterk verweven met de talloze biochemische stappen in de energiehuishouding.

Evolutionair gezien moest een zoogdier kunnen overleven in tijden van schaarste aan voeding, in winter en zomer bij veel of weinig zonlicht en bij uiteenlopende temperaturen. Dat komt ook sterk naar voren in het bruine vetweefsel, dat verschillende componenten van de biologische klok aan boord heeft. Het bruine vetweefsel moet ons – door thermogenese, oftewel vetverbranding – op temperatuur houden als het koud is. Daardoor konden zoogdieren overleven bij lage temperaturen. Maar gezien de voedselschaarste waaraan onze voorouders duizenden jaren hebben blootgestaan, kon het energieverkwistende karakter van het bruine vetweefsel een groot nadeel zijn. Daarom denkt de Deense bioloog Zachary Gerhart-Hines van de Universiteit van Kopenhagen dat de biologische klok geprogrammeerd was om het bruine vetweefsel uit te schakelen wanneer het niet nodig was, zoals gedurende de slaap als het dier een beschutte omgeving opzoekt. Het bruine vetweefsel wordt weer actief als dieren op zoek of op jacht gaan naar voedsel. 

Dit mechanisme is zelfs voorzien van een veiligheidsklep voor het geval dat een dier tijdens de slaap wordt overvallen door extreme kou. Het enzym dat het bruine vetweefsel onderdrukt, wordt dan snel uitgeschakeld en er volgt een volledige thermogene respons: de interne kachel gaat op de hoogste stand. De grootste energievoorraad bevindt zich in het witte vetweefsel. Tijdens het vasten mobiliseert het witte vetweefsel de vetvoorraden en dirigeert ze naar het spierweefsel, waar ze verbrand kunnen worden. Tijdens de evolutie bleek het gunstig om deze lipolyse te vergroten tijdens de slaap, om te compenseren voor het gebrek aan voedselaanbod. Omgekeerd wordt vet dat in de lever wordt geproduceerd opgeslagen tijdens de uren dat dieren wakker zijn en eten. Genetische afwijkingen in de circadiane aansturing van het witte vetweefsel resulteren in een verminderde lipolyse en obesitas.

Het is waarschijnlijk geen toeval dat het verdwijnen van deze externe stressfactoren samenvallen met de huidige epidemie van obesitas, depressie, diabetes type 2, hart – en vaatziekte. Het frequente nuttigen van calorierijk voedsel in combinatie met een kortere nachtrust en kortere periodes van vasten hebben ervoor gezorgd dat het witte vetweefsel meer tijd doorbrengt in de verzamelstand. Zo draagt een vanuit de evolutie gezien nuttige eigenschap bij aan de obesitasepidemie en metabole ziekten.

Het microbioom zou ons kunnen helpen om de nadelige kant van de huidige welvaart op te vangen. Dat blijkt uit het feit dat slanke muizen (en mensen) met een gezond microbioom niet dik worden, ondanks het feit dat ze de omstandigheden ‘tegen’ hebben. Hun ‘slanke’ microbioom kan zelfs worden getransplanteerd naar dikke muizen die vervolgens slank worden. Maar terwijl het microbioom onder natuurlijke, evolutionaire omstandigheden makkelijk in vorm kon blijven, moet het tegenwoordig overeind zien te blijven onder druk van antibiotica en andere factoren die de samenstelling van de darmflora nadelig beïnvloeden. Antibiotica kunnen de soortenrijkdom van de darmflora ernstig aantasten en daarmee ondermijnen ze de veerkracht en veelzijdigheid van een gezonde bacteriepopulatie. En dat kan met name bij kinderen de kans op obesitas beduidend vergroten.

De innige relatie tussen gastheer en microbioom bestaat al miljoenen jaren. Samen konden we evolueren tot een slimme en functionele symbiose. De darmflora trainde het immuunsysteem en droeg zo bij aan de kans om te overleven in een wereld vol agressieve microbiële indringers en parasieten. Maar veel van die indringers zijn uit onze omgeving verwijderd, waardoor die training niet altijd meer up to date is en het immuunsysteem zich vergrijpt aan onschuldige voorbijgangers. Bovendien zijn er andere indringers en verstoorders voor in de plaats gekomen, zoals fastfood, computerschermen en antibiotica, die ons leven aangenaam maken, maar waar lichaam en microbioom geen adequaat antwoord op hebben. 

In ons volgende enews verschijnt het vierde deel van deze vijfdelige serie over het immuunsysteem, microbioom en biologische klok: ‘Preventie en behandeling: leefstijl en voeding’. Het volledige, rijkelijk geïllustreerde e-book over dit onderwerp kunt u hier downloaden. Daarin vindt u ook alle wetenschappelijke referenties.