Чтобы плодовая мушка могла адаптироваться к смене дневных и ночных ритмов, ее циркадные часы должны быть способны обрабатывать внешние сигналы, так называемые цейтгеберы, которые используются для синхронизации молекулярных и физиологических свойств организма. Свет – самый важный цейтгебер, который муха использует для этого.
Публикация в современной биологии
Ученые из кафедры нейробиологии и генетики Вюрцбургского университета в течение некоторого времени изучали взаимодействие света, фоторецепторов и циркадных часов у плодовой мушки. Заведующая кафедрой Шарлотта Форстер вместе со своим бывшим коллегой Матиасом Шлихтингом, который в настоящее время работает в Университете Брандейс (Массачусетс, США), выяснили новые и удивительные детали этого взаимодействия. Они представляют результаты своих исследований в текущем выпуске Current Biology.
«У млекопитающих комбинация традиционного пути фоторецепторов (палочки и колбочки сетчатки) и циркадного фоторецептора меланопсина в ганглиозных клетках сетчатки позволяет точно настроить синхронизацию часов», – объясняет Шарлотта Форстер.
Она говорит, что у дрозофилы есть сопоставимый механизм: «Сложные глаза, экстраретинальные глазки Хофбауэра-Бюхнера и циркадный фоторецепторный криптохром – все работают вместе в процессе синхронизации света», – резюмирует главный результат недавно опубликованного исследования.
Из более ранних исследований известно, как работает фоторецепторный криптохром.
Расположенный в специальных нервных клетках, так называемых часовых нейронах, он взаимодействует с вневременным часовым белком во время воздействия света, что приводит к его разрушению. Образно говоря, он переводит часы обратно на ноль. Однако меньше известно об обмене между глазами плодовой мушки и нейронами часов и о том, как опосредуется различная продолжительность дня.
Эксперименты с разной продолжительностью дня
Для своего исследования ученые работали с разными образцами плодовых мух. Они использовали здоровых мух, безглазых мух и мух, лишенных специфических визуальных пигментов глаза, так называемых родопсинов.
Во время лабораторных экспериментов насекомые подвергались воздействию различных условий освещения: при постоянной продолжительности дня, равной 24 часам, исследователи увеличивали период освещения с двухчасовыми интервалами с двенадцати до максимум 20 часов и наблюдали образцы активности насекомых. соответствующие летные группы.
Оказалось, что активность насекомых меняется с увеличением продолжительности светового дня.
Когда периоды света и темноты регулярно чередуются каждые двенадцать часов, что соответствует типичному дню на экваторе, здоровые мухи становятся активными дважды: примерно во время «восхода солнца» и перед имитируемым «закатом».«По мере того как дни становятся длиннее, вечерние мероприятия также переносятся, а« сиеста »- период полуденного отдыха – удлиняется. Поразительно, однако, что по мере увеличения дневного света пик активности вечером отклоняется от смоделированного заката и в некоторых случаях наступает намного раньше. Наибольшее отклонение происходит, когда световой день длится 20 часов, вероятно, потому, что мухи никогда не сталкиваются с такими условиями в своей естественной среде.
Открытие сложного глаза
В поисках молекулярных и нейронных механизмов, которые плодовая мушка использует для «точной настройки» своих циркадных часов, нейробиологам пришлось провести множество экспериментов. Эксперименты на плодовых мушках, у которых отсутствовали эти глаза, показали, что сложные глаза играют ключевую роль. Пик их активности также был отложен из-за увеличения продолжительности светового дня, но гораздо меньше, чем у их видевшихся родственников.
Было проведено больше экспериментов, чтобы определить, какие рецепторные клетки и зрительный пигмент ответственны за это. В конце концов, каждая грань сложного глаза мухи имеет восемь рецепторных клеток и пять родопсинов. Таким образом, ученые выборочно отключили отдельные клетки, пока не стало ясно, что рецепторная клетка 8 и родопсины 5 и 6, которые встречаются там, являются их мишенями.
Затем ученые исследовали, как световой сигнал достигает мозга плодовой мушки и как оттуда передается к нейронам часов. К удивлению, они обнаружили, что, хотя сигнал передается через так называемые «маленькие нейроны боковых часов» во время «умеренных» световых периодов, в 20-часовых световых экспериментах он проходит через «большие нейроны боковых часов». «Хотя циркадные часы плодовой мушки сравнительно малы, всего лишь 150 нейронов, вся система обладает высокой пластичностью», – резюмирует результаты исследования Шарлотта Форстер и объясняет, что пластичность нейронов необходима для того, чтобы животные могли быстро приспособиться к ней. различные условия.