Di dalam ikan gua, jam biologi dikawal bukan oleh cahaya, tetapi oleh makanan • Varvara Vedenina • Berita Sains mengenai "Unsur" • Genetik, Irama sirkadian

Di dalam gua ikan, jam biologi dikawal bukan oleh cahaya, tetapi oleh makanan.

Ikan gua Phreatichthys andruzzii. Foto dari www.kit.edu

Adalah diketahui bahawa jam biologi dalaman dikawal oleh pengaruh luaran, yang paling penting adalah fluktuasi harian cahaya. Pakar dari universiti di Itali, Jerman dan Sepanyol memutuskan untuk meneroka irama harian dengan ikan yang benar-benar buta Phreatichthys andruzziitinggal di kegelapan yang berterusan di gua-gua bawah tanah Somalia. Ternyata itu P. andruzzii Jam buta "circadian" tetap, yang tidak diperbetulkan oleh cahaya, tetapi hanya dicetuskan oleh makanan. Perlu diperhatikan bahawa dalam ikan gua ini, jam sirkadian itu sendiri telah diperbaiki dengan baik. Tetapi dua photoreceptor bukan visual dari keluarga opsin bermutasi, akibatnya mereka kehilangan keupayaan untuk menghantar isyarat cahaya.

Irama sirkadian (harian) – turun naik kitaran endogen pelbagai proses biologi, mekanisme yang sangat kuno untuk mengawal selia adaptasi terhadap perubahan persekitaran. Ia diselaraskan terutamanya dengan perubahan siang dan malam. Dalam mamalia, pigmen melanopsin (lihat Melanopsin) dalam sel-sel ganglion retina merespon siang dan malam, dan maklumat ini dihantar ke kawasan tertentu dalam hipotalamus (lihat: Lampu biru dan hijau membangkitkan orang dengan cara yang berbeza, "Elemen"04.06.2010). Akibatnya, jam dalaman badan menyesuaikan diri dengan kitaran harian.

Dalam vertebrata lain, photoreceptor boleh diletakkan di mana-mana bahkan di retina, tetapi dalam pelbagai tisu, tetapi ini tidak menghalang mereka daripada mengambil bahagian dalam peraturan irama circadian. Ikan yang terkenal Danio rerio Ia adalah objek yang mudah untuk mengkaji mekanisme melancarkan jam dalaman menggunakan cahaya. Cahaya boleh langsung mencetuskan irama circadian, bukan sahaja dalam pelbagai tisu. D. rerio, tetapi juga dalam budaya sel. Pelbagai jenis photoreceptor periferi kepunyaan keluarga opsin yang sama, yang termasuk rhodopsin, pigmen visual utama dalam retina vertebrata, diterangkan.

Dalam beberapa keadaan habitat yang melampau, misalnya, di dalam gua, sesetengah spesies ikan sepenuhnya terpencil dari kitaran siang hari untuk berjuta-juta tahun. Dalam ikan tersebut, mata biasanya dikurangkan sepenuhnya, dan spesies yang tidak berkaitan menunjukkan persamaan morfologi yang mencolok dalam hal ini. Walau bagaimanapun, kebanyakannya tidak jelas dalam biologi dan tingkah laku ikan ini. Adakah evolusi dalam kegelapan berterusan mengakibatkan kehilangan semua fungsi photoreceptor, termasuk pengawalan jam peredaran periferal dengan cahaya? Dan pada umumnyaAdakah makhluk-makhluk yang luar biasa ini mengekalkan mana-mana irama circadian?

Ahli biologi dari universiti di Itali, Jerman dan Sepanyol telah memilih ikan dari gua-gua bawah tanah di Somalia untuk menjelaskan isu-isu ini. Phreatichthys andruzzii – dengan fenotip troglomorphik yang sangat jelas, iaitu, tanpa cahaya, tanpa sebarang kesan atau pigmentasi di kawasan mata. Adalah dipercayai bahawa makhluk ini hidup dalam kegelapan dan suhu malar yang lengkap selama 1.4-2.6 juta tahun.

Pada peringkat pertama kajian, mereka memutuskan untuk mengukur aktiviti motor P. andruzzii dalam keadaan kitaran harian "12:12 siang malam" (NAM), dan untuk perbandingan, lakukan perkara yang sama Danio rerio. Untuk melakukan ini, fotodiode inframerah yang disambungkan ke komputer diletakkan di dinding akuarium. Bilangan lintasan fotodiod oleh ikan dicatat dan disimpan menggunakan program komputer setiap 10 minit. Makan ikan secara rawak. Akibatnya, aktiviti locomotor yang benar-benar huru-hara diperolehi. P. andruzzii – Berbeza dengan corak peningkatan aktiviti motor dalam fasa cahaya di D. rerio (Rajah 1).

Rajah. 1. Aktiviti motor Danio rerio (ADengan) dan Phreatichthys andruzzii (InD) dalam keadaan kitaran harian "12:12 siang malam". Putih dan hitam jalur menunjukkan tempoh cahaya dan gelap. Paksi X – selang masa 48 jam. Aktiviti telah direkodkan setiap 10 minit; ketinggian setiap lajur berkadar dengan bilangan lintasan fotodiod inframerah di dalam akuarium. Gambar dari artikel dibincangkan di PLoS Biology

Di peringkat kerja seterusnya, homolog gen jam diklon P. andruzzii, untuk menguji ungkapan mereka di bawah keadaan kitaran harian yang sama (untuk gen jam, lihat: Prinsip alternatif operasi jam biologi, Elemen, Terbuka, 01.02.2011). Gen ini mempunyai D. rerio sama ada merujuk kepada gen menonton klasik (Per1, Clk1a, Clk1b), atau diaktifkan apabila perubahan cahaya (Cry1a, Cry5, Per2). Urutan gen menunjukkan persamaan hebat mereka dalam kedua-dua ikan, yang, pada prinsipnya, tidak menghairankan, memandangkan kedua-dua spesis itu tergolong dalam keluarga karp yang sama.

Ekspresi gen diukur dalam vivo dalam tisu dewasa dan dalam larva. Hasilnya sama dengan data eksperimen sebelumnya: ikan yang terlihat D. rerio kitaran diurnal mempengaruhi perubahan ekspresi semua gen di bawah kajian, sedangkan di dalam gua ikan tidak ada irama ungkapan biasa (Rajah 2). Mempunyai P. andruzzii irama tidak dikesan walaupun pada hari pertama kehidupan, apabila larva masih mempunyai asas mata. Jadi, kita boleh membuat kesimpulan: sama ada P. andruzzii tidak ada jam circadian sama sekali, atau jam biologi tidak dicetuskan oleh cahaya.

Rajah. 2 Hasil analisa ekspresi endogen gen jam (Per1, Clk1a, Clk1b) dan gen yang dikawal oleh cahaya (Cry1a, Cry5, Per2) selama dua hari di sirip D. rerio (AC) dan P. andruzzii (BD). MempunyaiP. andruzzii tiada gen yang menunjukkan turun naik yang signifikan dalam ungkapan, berbeza dengan D. rerio, di mana turun naik ketara diperhatikan untuk semua gen. Putih dan hitam jalur menunjukkan tempoh pencahayaan dan kegelapan. Gambar dari artikel dibincangkan di PLoS Biology

Untuk menguji kedua hipotesis ini, penulis memutuskan untuk menyiasat sama ada ia mungkin untuk memulakan jam biologi secara berkala menyampaikan makanan. Ikan dewasa D. rerio dan P. andruzzii mereka diberi makan sekali sehari oleh larva chironomid pada masa tertentu di bawah keadaan kegelapan yang berterusan, dan, seperti dalam eksperimen pertama, aktiviti motor mereka diukur. Kedua-dua spesies ini menunjukkan peningkatan dalam aktiviti beberapa jam sebelum penampilan makanan (Rajah 3).

Rajah. 3 Aktiviti motor D. rerio (di sebelah kiri) dan P. andruzzii (di sebelah kanan) diberi makan sekali sehari (masa makan ditunjukkan anak panah) dalam kegelapan yang lengkap. Jawatan adalah sama seperti di rajah. 1. Gambar dari artikel dibincangkan di PLoS Biology

Berikutan itu, para penulis sekali lagi menyemak ungkapan gen jam dalam tisu yang berbeza dari kedua-dua spesis ikan pada hari terakhir makan dan dua hari yang akan datang jika tiada makanan. Secara praktiknya dalam semua tisu kajian kedua-dua spesis ikan perubahan berirama dalam ungkapan dua gen mengikut jam telah dijumpai (Rajah 4).

Rajah. 4 Perubahan berirama dalam ungkapan dua jam gen di D. rerio (BDF) dan P. andruzzii (CEG) selepas makan (tempoh makan ditandakan anak panah biru di atas). Ungkapan diukur setiap 4 jam di otak (BC), jantung (DE) dan sirip (FGa) kedua-dua jenis. Pada setiap carta garis menegak hitam menandakan masa makan terakhir, garis putus-putus – Masa makan harus dilakukan. Gambar dari artikel dibincangkan di PLoS Biology

Keputusan ini menunjukkan bahawa P andruzzii mempunyai jam dalaman yang dimulakan oleh makanan, tetapi bukan dengan cahaya. Sebaliknya, D. rerio Pengayun dalaman dikawal oleh cahaya dan makanan.

Jika di dalam gua ikan jam circadian tidak dicetuskan oleh cahaya, ini mungkin berlaku kerana beberapa mutasi di kawasan pengawalseliaan gen (promoter) yang dicetuskan oleh cahaya. Penulis membandingkan rantau pengawalseliaan gen tersebut Per2 dalam kedua-dua spesies ikan, dan juga dalam beberapa vertebrata lain. Semasa di promoter Per2 di dalam gua ikan beberapa mutasi didapati tidak hadir di zebrafish, ternyata mereka tidak melanggar jalan cahaya di tahap ini. Penulis membuktikannya dengan menjalankan percubaan wartawan yang dipanggil.

Di sini anda perlu memberi penjelasan. Adalah diketahui bahawa kawasan pengawalseliaan gen biasanya terletak di hadapan pengkodan. Katakan kita ingin mempelajari corak peraturan gen A. Pertama kita perlu mengukur jumlah produk protein (atau RNA) dalam masa yang kadang-kadang sukar dilakukan. Di sinilah gen reporter datang untuk menyelamatkan kita. Genom wartawan adalah pembinaan sintetik di mana kawasan pengawalseliaan gen A diletakkan di hadapan urutan pengekodan wartawan protein. Seorang wartawan adalah enzim atau protein fluoresen yang mudah diukur dengan tepat dan secara kuantitatif. Luciferase, protein luminescent dari kelip-kelip, sangat sering digunakan sebagai wartawan, kerana walaupun jumlah kecil itu dapat ditentukan oleh reaksi kimia yang sensitif.

Jadi, letakkan protein pendarfluor cfPer2-Luc ikan gua dalam sel danio-rerio, penulis berjaya menjalankan ekspresi gen Per2 dengan cahaya. Bilakah eksperimen wartawan terbalik – zfPer2-Luc Zebrafish dimasukkan ke dalam sel-sel ikan gua – mereka tidak dapat mendorong ekspresi gen dengan cahaya. Iaitu, ikan gua tidak mempunyai mekanisme yang mematikan atau mematikan gen. Per2 melalui laman web ini. Oleh itu, penulis mendapati bahawa mutasi yang melanggar jalan cahaya ikan gua tidak secara langsung mempengaruhi gen "jam" atau kawasan pengawalseliaan gen ini, tetapi berada di tempat yang lebih tinggi dalam laluan penghantaran isyarat cahaya.

Selepas itu, ia datang kepada kajian reseptor periferi. Para penulis memilih dua opsin, salah satunya adalah melanopsin yang telah disebutkan, dan yang lain yang disebut TMT-opsin (Moutsaki et al., 2003), dan mereka mengkloninya P. andruzzii. Dalam kedua-dua reseptor, mutasi ditemui di kawasan pengkodan, yang, menurut pengarang, akan mengganggu pengikatan kromofor retina (Retinal) kepada opsin. Sekali lagi, dengan menggunakan eksperimen wartawan, penulis memeriksa ekspresi opsin dan menunjukkan bahawa mutasi ini menghalang ikan gua daripada menghantar isyarat cahaya.Dan ini adalah satu-satunya kerosakan pada laluan cahaya: jika anda "membaiki" reseptor ini, sel P. andndruzzii mula bertindak balas terhadap cahaya, walaupun dari reseptor kepada penganjur – jalan tidak lama dan mungkin terdiri daripada banyak langkah.

Sumber: N. Cavallari, E. Frigato, D. Vallone, N. Fröhlich, J.F. Lopez-Olmeda, A. Foa, R. Berti, F.J. Sánchez-Vázquez, C. Bertolucci, Foulkes A.S.. Jam circadian buta di cavefish mendedahkan bahawa opsin memeterai photoreception jam perifar // PLoS Biology. 2011. V. 9 (9), P. 1-13.

Lihat juga:
1) Menemui gen yang mengawal perjalanan "jam dalaman", "Unsur", 05/17/2007.
2) Lampu biru dan hijau membangkitkan orang dengan cara yang berbeza, "Unsur", 06/04/2010.
3) Hipotesis dicadangkan untuk menjelaskan mekanisme penyegerakan bioritma dalam badan., "Unsur", 11/16/2010.
4) Prinsip alternatif operasi jam biologi terbuka., "Elemen" 01.02.2011.

Varvara Vedenina


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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