Ученые нашли связь между биологическими часами и витамином А

Биологи из Техасского университета A & M делают успехи в понимании функции биологических часов в нескольких модельных организмах и переводят эти исследования в более широкие последствия для здоровья человека.

Лаборатория Мерлина в Техасском отделе биологии A&M обнаружила генетические свидетельства, связывающие циркадные часовые гены и тактовые молекулярные пути к сверхъестественной способности бабочки-Монарха чувствовать изменения в продолжительности дня, или фотопериод - экологический сигнал, который сигнализирует им мигрировать и вызывает репродуктивный спячку, которую они проявляют в этом процессе. Их работа устанавливает четкую связь между часовыми генами и путями витамина А в мозге этого знакового 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 и впервые демонстрирует, что он также регулирует критический путь витамина А, необходимый для сезонных реакций.

“Почти все организмы приспосабливаются к сезонам года, приспосабливая свою физиологию и поведение к изменениям продолжительности дня, или фотопериоду", - поясняет Кристин Мерлин, техасский биолог A&M и 2017 Klingenstein-Simons Fellow.

Несмотря на десятилетия исследований, молекулярные и генетические механизмы, с помощью которых изменения в фотопериоде ощущаются и переводятся в сезонные изменения в физиологии и поведении животных, остаются малоизученными. Хотя многое еще предстоит узнать, наши результаты прокладывают путь к пониманию механизмов, с помощью которых витамин А действует в головном мозге, чтобы перевести кодирование продолжительности дня в сезонные физиологические и поведенческие реакции у животных. 

“Учитывая, что сезонные изменения, связанные с этим путем, также были зарегистрированы в головном мозге млекопитающих, соблазнительно предположить, что функция витамина А в фотопериодизме животных может быть эволюционно сохранена. Если это окажется так, то наша работа с "монархом" может иметь последствия для лучшего понимания сезонных изменений в человеческом мозге, которые могут привести к таким заболеваниям, как сезонная депрессия”, - поясняют ученые.

В течение последних шести лет лаборатория Мерлина в Техасском центре A&M по исследованию биологических часов использовала бабочку Монарха в качестве модели для изучения миграции животных, роли циркадных часов в регулировании суточной и сезонной физиологии и поведения животных, а также эволюции животного часового механизма. С помощью технологии CRISPR / Cas9 ее группа уже преуспела в изменении ключевых биологических генов, связанных с часами, у Монарха, чтобы изучить их влияние на ежедневные циркадные ритмы и сезонные миграционные реакции.

"Несмотря на значительные успехи, достигнутые нашей лабораторией в разработке генетических инструментов для уничтожения практически любых генов в геноме Монарха, которые были ключевыми в этом исследовании, чтобы продемонстрировать центральную важность пути витамина А в фотопериодических реакциях, генетический инструментарий в Монархе все еще далек от конкуренции с тем, который доступен в более традиционных генетически сговорчивых модельных организмах, таких как дрозофила и мышь", - сказал Мерлин.

Одно из осложнений, которое пришлось преодолеть лаборатории Мерлина в ходе исследования, заключается в том, что витамин А необходим для зрительной функции сложных глаз монарха, а это означает, что их нокауты всего тела ninaB1 будут ослеплены. Как правило, команда Мерлина должна была найти негенетический способ устранения потенциальной функции сложных глаз в качестве возможной связи с отсутствием фотопериодических реакций, наблюдаемых у этих новых мутантных бабочек.

Окрашивая составные глаза взрослых бабочек дикого типа черной краской, ученые продемонстрировали, что зрительная функция не была необходима для фотопериодических реакций, тем самым поддерживая идею о том, что функция витамина А в головном мозге, а не в глазах отвечает за фотопериодические ощущения и реакции.

Биологи заявляют, что исследование поднимает интересные вопросы относительно возможного участия пути в любом количестве интригующих сценариев, включая производство фоторецептора глубокого мозга для фотопериодического зондирования, сезонную регуляцию транскрипционной программы, опосредованной ретиноевой кислотой, и / или сезонную пластичность тактовых нейрональных схем в мозге.