UT Ученые Юго-Запада разработали генетически модифицированную мышь и систему визуализации, которая позволяет им визуализировать колебания циркадных часов типов клеток у мышей. Метод, описанный онлайн в журнале Neuron, дает новое представление о том, какие клетки мозга важны для поддержания основных циркадных часов организма. Но они говорят, что этот подход также будет широко полезен для ответов на вопросы о суточных ритмах клеток по всему телу.
«Это действительно важный технический ресурс для продвижения изучения циркадных ритмов», - говорит руководитель исследования Джозеф Такахаши, доктор философии, заведующий отделением неврологии Юго-Западного медицинского центра UT, член Юго-Западного медицинского центра UT. Институт мозга Питера О'Доннелла-младшего и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). «Вы можете использовать эти мыши для самых разных целей».
Почти каждая клетка человека и мышей имеет внутренние циркадные часы, которые колеблются примерно в 24-часовом цикле. Эти клетки помогают определять не только циклы голода и сна, но и биологические функции, такие как иммунитет и обмен веществ. Дефекты циркадных часов связаны с такими заболеваниями, как рак, диабет и болезнь Альцгеймера, а также нарушениями сна. Ученым давно известно, что небольшая часть мозга, называемая супрахиазматическим ядром (СХЯ), объединяет информацию от глаз о циклах света и темноты в окружающей среде с основными часами организма. В свою очередь, SCN помогает остальным клеткам тела синхронизироваться друг с другом.
«Что делает SCN особенным типом часов, так это их надежность и гибкость», - говорит Такахаши. «Это очень сильный кардиостимулятор, который не теряет счет времени, но в то же время может меняться, адаптируясь к временам года, меняя продолжительность дня или путешествуя между часовыми поясами».
Для изучения циркадных часов как в СХЯ, так и в остальной части тела, исследовательская группа Такахаши ранее разработала мышь с биолюминесцентной версией PER2 - одного из ключевых циркадных белков, уровни которого колеблются в течение суток. день. Наблюдая за увеличением и уменьшением уровней биолюминесценции, исследователи смогли увидеть, как PER2 циркулирует в организме животных в течение дня. Но белок присутствует почти во всех частях тела, что иногда затрудняет различение различий в циркадных циклах между разными типами клеток, смешанных вместе в одной и той же ткани.
"Если вы наблюдаете, например, срез мозга, почти каждая отдельная клетка имеет сигнал PER2, поэтому вы не можете действительно различить, откуда исходит тот или иной конкретный сигнал PER2", - говорит Такахаши.
В новой работе ученые преодолели эту проблему, обратившись к новой системе биолюминесценции, меняющей цвет с красного на зеленый только в клетках, экспрессирующих определенный ген, известный как Cre. Затем исследователи смогли сконструировать мышей таким образом, чтобы Cre, который в природе не встречается в клетках мышей, одновременно присутствовал только в одном типе клеток.
Чтобы проверить полезность подхода, Такахаши и его коллеги изучили два типа клеток, которые составляют СХЯ головного мозга - клетки аргинин-вазопрессина (АВП) и вазоактивные интестинальные полипептиды (ВИП). В прошлом ученые выдвинули гипотезу, что VIP-нейроны являются ключом к поддержанию синхронизации остальной части СХЯ.
Когда исследовательская группа посмотрела на VIP-нейроны - экспрессируя Cre только в этих клетках, так что PER2 люминесцировал зеленым в VIP-клетках, а красным - в других местах, - они обнаружили, что удаление циркадных генов из нейронов мало повлияло на циркадный ритм. ритмы VIP-нейронов или остальной части СХЯ.«Даже когда у нейронов VIP больше не было функционирующих часов, остальная часть SCN вел себя практически так же», - объясняет Юнли Шан, доктор философии, научный сотрудник UTSW и ведущий автор исследования. По его словам, соседние клетки могли подавать сигналы VIP-нейронам, чтобы поддерживать их синхронизацию с остальной частью СХЯ.
Когда они повторили тот же эксперимент на нейронах AVP, однако, удаляя ключевые гены часов, не только сами нейроны AVP показали нарушенные ритмы, но и вся СХЯ перестала синхронно циклироваться в своем обычном 24-часовом ритме.
«Это показало нам, что часы в нейронах AVP действительно важны для синхронности всей сети SCN», - говорит Шан. «Это неожиданный и несколько противоречивый результат, поэтому мы надеемся, что он приведет к дальнейшей работе над нейронами AVP».
Такахаши говорит, что другие исследователи, изучающие циркадные ритмы, уже запросили линию мышей из его лаборатории для изучения суточных циклов других клеток. По его словам, мыши могут позволить ученым отточить различия в циркадных ритмах между типами клеток в одном органе или то, как опухолевые клетки циклируют иначе, чем здоровые клетки.
"Во всех видах сложных или больных тканей это может позволить вам увидеть, какие клетки имеют ритмы и чем они могут быть похожи или отличаться от ритмов других типов клеток."