Биологи из Техасского университета A&M добились больших успехов в понимании работы биологических часов в нескольких модельных организмах и переводе этих исследований в более широкие последствия для здоровья человека.
Лаборатория Мерлина в Техасском отделе биологии A&M обнаружила генетические доказательства, связывающие гены циркадных часов и регулируемые часами молекулярные пути со сверхъестественной способностью бабочки Монарх ощущать изменения в длине дня или фотопериоде - сигнал окружающей среды, который сигнализирует им мигрировать и запускает репродуктивный покой, который они проявляют в этом процессе. Их работа устанавливает четкую связь между часовыми генами и путями поступления витамина А в мозг этого культового насекомого.
Исследование лаборатории Мерлина, опубликованное 25 ноября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, не только обеспечивает генетическое доказательство связи фотопериод-часы, но также впервые демонстрирует, что оно также регулирует критический путь витамина А. необходимо для сезонных ответов.
«Почти все организмы адаптируются к временам года, адаптируя свою физиологию и поведение к изменениям длины дня или фотопериода», - говорит биолог из Техаса A&M и научный сотрудник Klingenstein-Simons 2017 Кристин Мерлин.
Несмотря на десятилетия исследований, молекулярные и генетические механизмы, с помощью которых изменения фотопериода воспринимаются и преобразуются в сезонные изменения в физиологии и поведении животных, остаются плохо изученными. Хотя многое еще предстоит узнать, наши открытия прокладывают путь для понимания механизмов, с помощью которых витамин А действует в головном мозге, переводя кодирование продолжительности дня в сезонные физиологические и поведенческие реакции у животных.
Учитывая, что сезонные изменения, связанные с этим путем, также были зарегистрированы в мозге млекопитающих, интересно предположить, что функция витамина А в фотопериодизме животных может быть эволюционно законсервированной. Если это окажется так, наша работа над «Монархом» может иметь значение для лучшего понимания сезонных изменений в человеческом мозгу, которые могут привести к таким заболеваниям, как сезонная депрессия».
В течение последних шести лет лаборатория Мерлина в Техасском центре исследований биологических часов A&M использовала величественного Монарха в качестве модели для изучения миграции животных, роли циркадных часов в регуляции суточной и сезонной физиологии и поведения животных., и эволюция часового механизма животных. С помощью технологии CRISPR/Cas9 ее группе уже удалось изменить ключевые гены, связанные с биологическими часами, у монарха, чтобы изучить их влияние на суточные циркадные ритмы и сезонные миграционные реакции.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый нашей лабораторией в разработке генетических инструментов, позволяющих выбивать практически любые гены в геноме монарха, что сыграло ключевую роль в этом исследовании, чтобы продемонстрировать центральное значение пути витамина А в фотопериодических реакциях, «Генетический инструментарий в «Монархе» все еще далек от того, что имеется в более традиционных генетически управляемых модельных организмах, таких как дрозофилы и мыши», - сказал Мерлин.
Одна из сложностей, которую лаборатории Мерлина пришлось преодолеть в ходе исследования, заключается в том, что витамин А необходим для зрительной функции сложных глаз Монарха, а это означает, что их нокауты ninaB1 в полный рост будут ослеплены. В качестве подстраховки команда Мерлина должна была найти негенетический способ исключить потенциальную функцию сложных глаз как возможную связь с отсутствием фотопериодических реакций, наблюдаемых у этих новых мутантных бабочек.
«Нам нужно было проявить творческий подход, поэтому мы обратились к экспериментам с декоративно-прикладным искусством», - сказал Мерлин.«Нарисовав сложные глаза взрослых бабочек дикого типа черной краской, мы продемонстрировали, что зрительная функция не является необходимой для фотопериодических реакций, тем самым подтвердив идею о том, что функция витамина А в мозге, а не в глазах, отвечает за фотопериодическую чувствительность и ответы."
Мерлин говорит, что исследование поднимает интересные вопросы относительно возможного участия пути в любом количестве интригующих сценариев, включая производство фоторецепторов глубокого мозга для фотопериодического восприятия, сезонную регуляцию опосредованной ретиноевой кислотой программы транскрипции и /или сезонной пластичности схемы часовых нейронов в мозгу.
«Расчленение этих возможностей посредством продолжающегося молекулярного и генетического анализа этого пути у Монарха будет необходимо, чтобы улучшить наше понимание механизмов действия витамина А в фотопериодической реакции у Монарха и животных в целом», - добавил Мерлин.
Мерлин благодарит выпускницу биологического факультета Texas A&M 2015 года Саманту Иямс, в настоящее время докторскую степень. кандидат Междисциплинарной программы магистратуры в области генетики за большую часть прогресса ее лаборатории в этом направлении исследований. Помимо того, что она стала первым автором статьи группы PNAS, Иямс получила впечатляющее количество наград за свою работу, лежащую в основе этого исследования, в первую очередь награду Патриции ДеКурси за выдающиеся достижения Международного общества исследований биологических ритмов в 2018 году. как несколько призовых плакатов за первое место.