I grottefisk er det biologiske ur reguleret ikke af lys, men af ​​mad • Varvara Vedenina • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik, cirkadiske rytmer

I grotte fisk er det biologiske ur reguleret ikke af lys, men af ​​mad.

Cave fishes Phreatichthys andruzzii. Billeder fra www.kit.edu

Det er kendt, at interne biologiske ure reguleres af ydre påvirkninger, hvoraf det vigtigste er de daglige lysudsving. Eksperter fra universiteter i Italien, Tyskland og Spanien besluttede at udforske daglige rytmer med absolut blinde fisk Phreatichthys andruzziibor i konstant mørke i de underjordiske huler i Somalia. Det viste sig det P. andruzzii "Blinde" cirkadiske ure er forblevet, som ikke korrigeres af lys, men udløses kun af mad. Det er bemærkelsesværdigt, at i denne hulfisk var det cirkadiske ur selv i god stand. Men to ikke-visuelle fotoreceptorer fra opsin-familien muterede, hvilket resulterede i, at de mistede evnen til at transmittere et lyssignal.

Circadian (daglig) rytmer – endogene konjunkturudsving i forskellige biologiske processer, en yderst gammel mekanisme til regulering af tilpasning til miljøændringer. Det synkroniseres primært med skift af dag og nat. I pattedyr reagerer pigmentet melanopsin (se Melanopsin) i retina hos ganglionceller dag og nat, og denne information overføres til et bestemt område i hypothalamus (se: Blå og grønt lys vækker folk på forskellige måder, "Elements", "Elements"04.06.2010). Som følge heraf tilpasser kroppens indre ur til den daglige cyklus.

I andre hvirveldyr kan fotoreceptorer overhovedet ikke engang i nethinden, men i et bredt udvalg af væv, men dette forhindrer dem ikke i at deltage i reguleringen af ​​den cirkadiske rytme. Kendte fisk Danio rerio Det er et bekvemt formål at studere mekanismerne til at starte det interne ur med hjælp af lys. Lys kan direkte udløse cirkadianrytmen, ikke kun i et bredt udvalg af væv. D. rerio, men selv i cellekultur. Forskellige typer af perifere fotoreceptorer, der tilhører familien af ​​samme opsins, der indbefatter rhodopsin, det vigtigste visuelle pigment i hvirveldyrets nethinde, er beskrevet.

I nogle ekstreme habitatforhold, for eksempel i huler, er nogle arter af fisk fuldstændig isoleret fra dag-natcyklusen i millioner af år. I sådanne fisk er øjnene normalt fuldstændigt reduceret, og uafhængige arter viser en slående morfologisk lighed i denne henseende. Meget er dog uklart i biologien og opførelsen af ​​disse fisk. Udvikler evolutionen i konstant mørke tabet af alle fotoreceptorfunktioner, herunder regulering af perifere cirkadiske ure ved lys? Og genereltBeholder disse usædvanlige væsener nogen cirkadiske rytmer?

Biologer fra universiteter i Italien, Tyskland og Spanien har valgt en fisk fra underjordiske huler i Somalia for at klarlægge disse problemer. Phreatichthys andruzzii – med en yderst udtalt troglomorf fænotype, det vil sige helt øjenløshed uden et antydning af spor eller pigmentering i øjenområdet. Det antages, at denne skabning lever i fuldstændigt mørke og konstant temperatur i 1,4-2,6 millioner år.

I første fase af undersøgelsen besluttede de at måle motoraktiviteten P. andruzzii under forholdene i den daglige cyklus "12:12 dag-nat" (NAM), og til sammenligning gør det samme Danio rerio. For at gøre dette blev en infrarød fotodiode forbundet til en computer anbragt på akvariet. Antallet af krydsninger af fotodioden fra fisken blev registreret og gemt ved hjælp af et computerprogram hvert 10. minut. Fødefisk udføres tilfældigt. Som et resultat blev absolut kaotisk lokomotorisk aktivitet opnået. P. andruzzii – i modsætning til et klart mønster af stigning i motoraktivitet i lysfasen i D. rerio (Figur 1).

Fig. 1. Motoraktivitet Danio rerio (EnC) og Phreatichthys andruzzii (denD) under forholdene i den daglige cyklus "12:12 dag-nat". hvid og sort strimler betegner lyse og mørke perioder. X-akse – tidsinterval på 48 timer Aktiviteten blev registreret hvert 10. minut; højden af ​​hver søjle proportional med antallet af krydsninger af den infrarøde fotodiode i akvariet. Figur fra den diskuterede artikel i PLoS Biology

På den næste fase af arbejdet blev klongenes homologer klonet P. andruzzii, for at teste deres udtryk under betingelserne for den samme daglige cyklus (for urgener, se: Det alternative princip for drift af biologiske ure, Elements, Open, 01.02.2011). Disse gener har D. rerio enten henvise til de klassiske urgener (Per1, Clk1a, Clk1b) eller aktiveres, når lyset skifter (Cry1A, Cry5, Per2). Sekvensering af gener viste deres store lighed i begge fisk, hvilket i princippet ikke er overraskende, idet begge arter tilhører samme karpfamilie.

Genekspression blev målt in vivo i voksne væv og i larver. Resultatet lignede dataene fra det foregående eksperiment: den synlige fisk D. rerio døgncyklen påvirket ændringen i ekspressionen af ​​alle de undersøgte gener, mens der i hulefisken ikke var nogen regulær ekspressionsrytme (figur 2). i P. andruzzii rytmen blev ikke sporet lige under den første dag i livet, når larverne stadig har rudimenter af øjnene. Så kan vi konkludere: enten P. andruzzii der er slet ingen cirkadiske ure eller de biologiske ure udløses ikke af lys.

Fig. 2. Resultaterne af analysen af ​​det endogene udtryk for urgener (Per1, Clk1a, Clk1b) og gener reguleret af lys (Cry1a, Cry5, Per2) i to dage i finner D. rerio (EnC) og P. andruzzii (BD). iP. andruzzii ingen af ​​generne viste signifikante udsving i udtryk i modsætning til D. rerio, hvor signifikante udsving blev observeret for alle gener. hvid og sort strimler betegner perioder med belysning og mørke. Figur fra den diskuterede artikel i PLoS Biology

For at teste disse to hypoteser besluttede forfatterne at undersøge om det er muligt at starte et biologisk ur ved regelmæssigt at præsentere mad. Voksenfisk D. rerio og P. andruzzii de blev fodret en gang om dagen af ​​chironomidlarver på et bestemt tidspunkt under konstante mørkebetingelser, og som i det første forsøg blev deres motoriske aktivitet målt. Begge arter viste en bemærkelsesværdig stigning i aktivitet flere timer før udseendet af mad (figur 3).

Fig. 3. Motoraktivitet D. rerio (til venstre) og P. andruzzii (til højre) fodret en gang dagligt (fodertid er angivet en pil) i fuldstændigt mørke. Betegnelser er de samme som i fig. 1. Figur fra diskuteret artikel i PLoS Biology

Derefter kontrollerede forfatterne igen udtryk for urgener i forskellige væv af begge arter af fisk i den sidste fodringsdag og de næste to dage i mangel af mad. Praktisk set i alle de studerede væv af begge arter af fisk blev der fundet en rytmisk ændring i udtrykket af to uretgener (figur 4).

Fig. 4. Den rytmiske ændring i udtrykket af to urgener i D. rerio (BDF) og P. andruzzii (CEG) efter fodring (foderperioden er markeret blå pile på toppen). Udtrykket blev målt hver 4. time i hjernen (BC), hjerte (DE) og finner (FGa) begge typer På hvert diagram sort vertikal linje angiver tidspunktet for den sidste fodring stiplede linjer – Det tidspunkt, hvor fodring skulle udføres. Figur fra den diskuterede artikel i PLoS Biology

Disse resultater tyder på, at P andruzzii besidder interne ure, der startes af mad, men ikke af lys. Tværtimod D. rerio Interne oscillatorer reguleres af både lys og mad.

Hvis i en hulfisk ikke udløses af lyset, kan dette forekomme på grund af en vis mutation i det regulatoriske område af genet (promotor) udløst af lys. Forfatterne sammenlignede det regulerende område af genet Per2 i både arter af fisk såvel som i nogle andre hvirveldyr. Mens i promotoren Per2 i hulefisk blev der fundet flere mutationer, der er fraværende i zebrafisken, viste det sig, at de ikke bringer lysvejen på dette niveau. Forfatterne beviste dette ved at gennemføre et såkaldt reporterforsøg.

Her skal du give en forklaring. Det er kendt, at regulatoriske regioner af et gen normalt er placeret foran kodning. Antag, at vi vil studere genreguleringsmønstre En. Først må vi måle mængden af ​​dets proteinprodukt (eller RNA) i tid, hvilket undertiden er svært at gøre. Her kommer reportergenet til vores redning. Reportergenomet er en syntetisk konstruktion i hvilke regulatoriske regioner af et gen En anbragt foran protein reporterens kodningssekvens. En reporter er et enzym eller fluorescerende protein, der er let at måle præcist og kvantitativt. Luciferase, det luminescerende protein fra fireflyen, anvendes meget ofte som reporter, da selv små mængder af det kan bestemmes af en følsom kemisk reaktion.

Så sætter det fluorescerende protein cfPer2-Luc hule fisk i celler danio-rerio, formåede forfatterne at køre genets udtryk Per2 med lys. Hvornår gjorde det omvendte reportereksperiment – zfPer2-Luc Zebrafisken blev indsat i cavefiskens celler – de kunne ikke fremkalde genets ekspression med lys. Det vil sige, at hulefisken mangler en mekanisme, der slår genet til eller fra. Per2 gennem dette reguleringssted. Forfatterne fandt således, at mutationer, der krænker en hulefisks lysvej, ikke direkte påvirker "ur" -genene eller regulatoriske regioner af disse gener, men er et eller andet sted højere i lyset af transmissionen af ​​lyssignalet.

Derefter kom det til undersøgelsen af ​​perifere receptorer. Forfatterne valgte to op'er, hvoraf den ene er den allerede nævnte melanopsin, og den anden den såkaldte TMT-opsin (Moutsaki et al., 2003), og de klonede dem P. andruzzii. I begge receptorer blev mutationer fundet i den kodende region, som ifølge forfatterne ville forstyrre bindingen af ​​retinalkromofor (retinal) til opsin. Igen tjekkede forfatterne ved hjælp af reportereksperimentet opikets udtryk og viste, at disse mutationer faktisk forhindrer hulefisk fra at transmittere et lyssignal.Og dette er den eneste sammenbrud på lysbanen: Hvis du "reparerer" disse receptorer, cellen P. andndruzzii begynder at reagere på lys, selvom fra receptoren til promotoren – stien er ikke lang og kan bestå af en masse trin.

Kilde: N. Cavallari, E. Frigato, D. Vallone, N. Fröhlich, J.F. Lopez-Olmeda, A. Foa, R. Berti, F.J. Sánchez-Vázquez, C. Bertolucci, N. S. Foulkes. Et blindt kredsløbsklok i hulen viser, at opens formidler perifer klok fotoreception // PLoS Biology. 2011. V. 9 (9), s. 1-13.

Se også:
1) Fundet et gen der regulerer løbet af "intern ur", "Elements", 05/17/2007.
2) Blåt og grønt lys vækker folk på forskellige måder, "Elements", 06/04/2010.
3) Der foreslås en hypotese til at forklare mekanismen for synkronisering af biorhythmer i kroppen. "Elements", 11/16/2010.
4) Det alternative funktionsprincip for det biologiske ur er åben. "Elements" 01.02.2011.

Varvara Vedenina


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: