基因与生理和Circatidal节奏发现

陈马塞诸斯州大学医学院的科学家们和伍兹霍尔海洋生物实验室发现了第一个基因-Bmal1——发挥着至关重要的作用在调节circatidal甲壳纲动物的行为Parhyale hawaiensis。Circatidal节奏帮助动物应对潮汐的涨落在沿海地区。

发表在当代生物学Patrick金刚砂神经生物学家的研究,博士,约书亚罗森塔尔,博士和他的同事们展示了第一个分子circatidal和生物钟之间的联系,而建立p . hawaiensis作为一个强大的新动物系统来进行遗传学研究底层circatidal节奏。

“生物钟的关键生物体(包括人类优化他们的生理和行为适应环境周期,“金刚砂博士说,副主席陈马塞诸斯州大学医学院神经生物学教授和海洋生物实验室惠特曼中心研究员。“通过理解这些行为是遗传根植到生物,我们可以映射的感官系统和神经回路影响生理和行为。”

潮汐发生每12.4小时。其中一个每天的潮汐是由月球对地球的引力,而第二个结果产生的离心力月球和地球的旋转运动空间。海洋动物生活在潮汐地区适应行为来应对这些戏剧性的变化从干到水生环境每12.4小时。

虽然circatidal节奏是首次发现在20世纪早期Roscoff虫(Symsagittifera roscoffensis),并详细研究了螃蟹、蚌类和其他海洋物种自1950年代以来,circatidal时钟的分子和遗传基础,以及它与昼夜节律钟的关系,仍然难以捉摸。

“缺乏动物模型可遗传击倒和转基因操作已导致科学家无法明确调查的分子起源circatidal时钟及其与生物钟基因的关系,”埃莫里说。“只有少数circatidal遗传学研究存在,这些都是无法统治或排除生物钟基因的作用在动物circatidal行为。”

艾丽卡Kwiatkowski, MD /博士生金刚砂陈在马塞诸斯州大学的实验室,与罗森塔尔博士的实验室合作,海洋生物实验室的资深科学家发现了小片脚类动物的甲壳纲动物p . hawaiensis作为一个有前途的模式。模拟p . hawaiensis的自然环境,研究人员开发了一个人工潮汐one-centimeter-long动物的栖息地在实验室中使用人工海水注入每12.4小时的水族馆。

Kwiatkowski和同事接触片10个周期(相当于5天)人工潮汐环境。一旦适应了这些条件,p . hawaiensis被研究人员从人工潮汐环境并放在一个恒定水位的栖息地。在个人的试管,动物的游泳活动使用红外光束被记录。引人注目的是,每12.4小时,大部分的动物(80%)增加了他们的游泳活动预期涨潮,然后在低潮的预期减少活动,即使他们不再受到水位的变化。这表明circatidal时钟控制运动行为的存在p . hawaiensis。

海洋生物实验室的实验室主任,Nipam Patel博士  发展p . hawaiensis 作为研究的模式生物基因控制胚胎发育的许多方面,包括肢体模式。“多年来,帕特尔实验室创建有价值的资源在这个有机体,如使用CRISPR淘汰赛基因测序的基因组和方法。尽管初衷不使用Parhyale研究circatidal节奏,为此被证明是优秀的。我们预测,这种生物会促进很多在这一领域未来的研究,”罗森塔尔说道。

一旦circatidal节奏的强大存在p . hawaiensis成立,Kwiatkowski和他的同事们使用CRISPR / Cas9-guided基因击倒寻找基因连接到circatidal行为。通过击倒单个基因,科学家可以观察效果,失去了基因对生物过程。

使用基因控制昼夜节律在哺乳动物作为指导寻找circatidal基因,Kwiatkowski和他的同事们发现,推倒生理基因Bmal1改变了p . hawaiensis动物行为不再表现出circatidal游泳行为。相反,动物表现出arhythmic行为与潮汐流。

”Bmal1是一个关键组件的维护circatidal行为p . hawaiensis,”Kwiatkowski说。“这是第一个证据表明基因参与昼夜节律也参与circatidal节奏。这两个系统之间建立一个分子联系。”

下一步,埃莫里和他的同事们调查的确切作用Bmal1在驾驶circatidal行为和其他基因可能参与其中。

参考:Kwiatkowski呃,Schnytzer Y,罗森塔尔JJC,金刚砂p .行为circatidal节奏需要Bmal1 Parhyale hawaiensis。当代生物学。2023:S0960982223003032。doi:10.1016 / j.cub.2023.03.015

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