Naukowcy z UMass Chan Medical School i Marine Biological Laboratory w Woods Hole zidentyfikowali pierwszy gen…Bmal1— odgrywać kluczową rolę w regulowaniu zachowania okołopływowego u skorupiaków Parhyale hawaiensis. Rytmy okołopływowe pomagają zwierzętom radzić sobie z przypływami i opadami pływów na obszarach przybrzeżnych.

Opublikowane w Bieżąca biologiabadanie przeprowadzone przez neurobiologów dr Patricka Emery’ego, dr Joshuę Rosenthala i współpracowników pokazuje pierwsze molekularne powiązanie między zegarami dobowymi i okołodobowymi, ustanawiając jednocześnie P. hawaiensis jako potężny nowy system zwierzęcy do badania genetyki leżącej u podstaw rytmów okołoporodowych.

„Zegary biologiczne mają kluczowe znaczenie dla organizmów – w tym ludzi – w optymalizacji ich fizjologii i dostosowywaniu zachowania do cykli środowiskowych” – powiedział dr Emery, wiceprzewodniczący i profesor neurobiologii w Szkole Medycznej UMass Chan oraz badacz z Marine Biological Laboratory Whitman Center. „Rozumiejąc, w jaki sposób te zachowania są genetycznie zakodowane w organizmach, możemy mapować systemy sensoryczne i obwody neuronowe, które wpływają na fizjologię i zachowanie”.

Pływy występują co 12,4 godziny. Jeden z dwóch codziennych przypływów jest spowodowany przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca na Ziemię, a drugi wynika z siły odśrodkowej wytwarzanej przez Księżyc i ruchów obrotowych Ziemi w przestrzeni. Zwierzęta morskie, które żyją na obszarach pływowych, przystosowały swoje zachowania do radzenia sobie z tymi dramatycznymi zmianami ze środowiska suchego do wodnego co 12,4 godziny.

Chociaż rytmy dobowe po raz pierwszy zaobserwowano na początku XX wieku u robaka Roscoff (Symsagittifera roscoffensis) i szczegółowo badane na krabach, małżach i innych gatunkach morskich od lat pięćdziesiątych XX wieku, molekularne i genetyczne podstawy zegara dobowego, jak również jego związek z zegarem dobowym, pozostały nieuchwytne.

„Brak modelu zwierzęcego nadającego się do genetycznego powalenia i manipulacji transgenicznych uniemożliwił naukowcom ostateczne zbadanie molekularnego pochodzenia zegara dobowego i jego związku z genami zegara dobowego” – powiedział Emery. „Istnieje tylko kilka badań dotyczących genetyki rytmu dobowego, które nie są w stanie ani wykluczyć, ani wykluczyć roli genów zegara okołodobowego w zachowaniach związanych z rytmem dobowym u zwierząt”.

Erica Kwiatkowski, doktorantka w laboratorium Emery w UMass Chan, we współpracy z laboratorium dr Rosenthala, starszego naukowca w Marine Biological Laboratory, zidentyfikowała małego skorupiaka amfipoda P. hawaiensis jako obiecujący model. Symulować P. hawaiensisW naturalnym środowisku naukowcy opracowali w laboratorium sztuczne siedlisko pływów dla jednocentymetrowego zwierzęcia, używając sztucznej wody morskiej, która była pompowana do i z akwarium co 12,4 godziny.

Kwiatkowski i współpracownicy wystawili obunogi na 10 cykli (odpowiednik pięciu dni) w sztucznym środowisku pływowym. Po przyzwyczajeniu się do tych warunków, P. hawaiensis została usunięta przez naukowców ze sztucznego środowiska pływowego i umieszczona w siedlisku o stałym poziomie wody. W poszczególnych probówkach aktywność pływania zwierząt rejestrowano za pomocą wiązek podczerwieni. Co uderzające, co 12,4 godziny większość zwierząt (80 procent) zwiększała aktywność pływacką w oczekiwaniu na przypływ, a następnie zmniejszała aktywność w oczekiwaniu na odpływ, mimo że nie były już narażone na zmieniający się poziom wody. To wykazało istnienie zegara okołoporodowego kontrolującego zachowanie lokomotoryczne w P. hawaiensis.

Laboratorium dyrektora Morskiego Laboratorium Biologicznego, dr Nipama Patel, opracowało P. hawaiensis jako organizm modelowy do badania genów kontrolujących liczne aspekty rozwoju zarodka, w tym wzornictwo kończyn. „Przez lata laboratorium Patel stworzyło cenne zasoby w tym organizmie, takie jak zsekwencjonowany genom i metody nokautu genów przy użyciu CRISPR. Chociaż pierwotnym zamiarem nie było użycie Parhyale do badania rytmów dobowych okazał się do tego celu doskonały. Przewidujemy, że ten organizm będzie katalizował wiele przyszłych badań w tej dziedzinie” – powiedział Rosenthal.

Po silnej obecności rytmu dobowego w P. hawaiensis ustalono, Kwiatkowski i współpracownicy wykorzystali knockdown genów kierowany przez CRISPR / Cas9 do polowania na geny związane z zachowaniem okołoporodowym. Powalając poszczególne geny, naukowcy mogą obserwować wpływ utraconego genu na proces biologiczny.

Wykorzystując geny kontrolujące rytmy okołodobowe u ssaków jako przewodnik do poszukiwania genów okołodobowych, Kwiatkowski i współpracownicy odkryli, że wyłączenie genu okołodobowego Bmal1 zmienione P. hawaiensis zachowanie — zwierzę nie wykazywało już zachowań związanych z pływaniem okołopływowym. Zamiast tego zwierzęta wykazywały zachowania arytmiczne niezwiązane z przepływami pływowymi.

“Bmal1 jest kluczowym elementem utrzymania zachowania okołoporodowego w P. hawaiensis– powiedział Kwiatkowski. „To pierwszy dowód na to, że gen zaangażowany w rytmy okołodobowe jest również zaangażowany w rytmy okołoporodowe. Ustanawia to molekularne powiązanie między tymi dwoma systemami”.

Następnym krokiem dla Emery i współpracowników jest zbadanie dokładnej roli Bmal1 odgrywa rolę w kierowaniu zachowaniem okołoporodowym i jakie inne geny mogą być zaangażowane.