J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin 3: Synchronizace cirkadiánních rytmů s denními změnami prostředí

cirkadiánní rytmy - grafické znázornění nejběžnější je graf časového průběhu měřené veličiny relativní intenzita bioluminiscence čas od začátku stálého světla [h] 24 48 72 96 120 144 aktivita promotoru genu pro protein CAB2 v Nicotiana tabacum - měřeno pomocí bioluminiscence rostlin s reporterovým genem pro luciferázu, který je řízen promotorem cab2 (data J. Kolář)

pohybová aktivita myši (Pittendrigh 1993) cirkadiánní rytmy - grafické znázornění častý je také „double-plot“: data z jednotlivých dnů jsou srovnána pod sebou a zdvojena z double-plotu se dobře vizuálně stanoví perioda, změny fáze apod. pohybová aktivita myši (Pittendrigh 1993)

volně běžící rytmus (free-run) pohybová aktivita hlodavce Peromyscus maniculatus (Pittendrigh a Minnis 1964) entrainment volně běžící rytmus (free-run)

synchronizace cirkadiánních rytmů s denní periodicitou prostředí (připomenutí z minulé přednášky) v přírodě je nezbytné, aby cirkadiánní rytmy měly periodu přesně 24 hodin a také patřičnou fázi ve vztahu k periodicitě vnějších faktorů (listy sklopené v noci, produkce fotosyntetických proteinů přes den apod.) to je zajištěno procesem zvaným entrainment (nejlepší český překlad asi „synchronizace“, což ovšem není úplně přesné) entrainment cirkadiánních rytmů je tedy nezbytný pro časování aktivit organizmu do správné denní doby - musí proto zajistit vhodný vztah fází (tzv. rozdíl fázových úhlů, angl. phase angle difference) mezi rytmicitou prostředí a cirkadiánním oscilátorem entrainment je vždy vyvolán nějakým podnětem z prostředí, tzv. časovačem (angl. zeitgeber) časovač je nejčastěji světlo/tma, běžně i změny teploty; u živočichů někdy také sociální stimuly, dostupnost potravy aj.

Kritéria entrainmentu Během entrainmentu působí vnější rytmus (periodicita časovače) na endogenní (cirkadiánní) rytmus. Entrainment musí splňovat tyto podmínky: délka periody endogenního rytmu se rovná délce periody vnějšího rytmu ustaví se stabilní rozdíl fází mezi endogenním a vnějším rytmem (např. listy jsou nejvíce sklopeny vždy 8 h po zhasnutí) po přesunu do konstantních podmínek pokračuje endogenní rytmus s volně běžící periodou a s fází, která je určena předchozím působením vnějšího rytmu toto není entrainment (ale volný běh, angl. free-run) toto je entrainment (ale maskování, angl. masking; vnější rytmus ovlivňuje pozorovanou vlastnost organizmu, ovšem nikoliv cirkadiánní oscilátor)

Dva typy modelů pro vysvětlení experimentálně zjištěného entrainmentu diskrétní: Časovače jsou jednorázové události (hlavně rozednění a setmění, v některých případech změny teploty aj.). Synchronizace s rytmicitou prostředí je dosaženo tím, že časovače vyvolávají změny fáze endogenního rytmu (fázové posuny, angl. phase shifts). kontinuální: Časovače působí kontinuálně (nejčastěji světlo během celého dne, tma v noci). Synchronizace s rytmicitou prostředí je dosaženo mimo jiné tím, že časovače způsobují změny periody endogenního rytmu (je např. známo, že délka periody závisí na intenzitě osvětlení). diskrétní modely entrainmentu jsou v současnosti nejúspěšnější - nejsou příliš složité a přitom dobře vysvětlují velké množství experimentálních dat

fázové posuny (phase shifts) časovač (např. pulz světla během stálé tmy) vyvolá změnu fáze volně běžícího rytmu velikost a směr fázového posunu závisí na fázi rytmu, v níž časovač působí

nejčastější tvar PRC pro účinek krátkého pulzu světla během stálé tmy diskrétní entrainment hlavní předpoklad: aplikace časovače vyvolá různé fázové posuny v různých fázích cirkadiánního rytmu klíčovým pojmem proto křivka fázové odpovědi (phase response curve, PRC) nejčastější tvar PRC pro účinek krátkého pulzu světla během stálé tmy

diskrétní entrainment postup pro získání PRC: pulz světla vliv 15-min pulzu světla na rytmus pohybové aktivity myši ve stálé tmě (Benloucif a Dubocovich 1996)

diskrétní entrainment průběh cirkadiánního rytmu lze modelovat na základě znalosti endogenní periody (FRP), průběhu PRC pro daný časovač a periodicity časovače modelová PRC pro vliv 15-min pulzu světla na rytmus líhnutí z kukel u Drosophila, použitá pro simulaci (z Johnson 1997)

1-bodový diskrétní entrainment pravidelné opakování časovače s určitou periodou (T), která může být i jiná než 24 h (T-cykly) při stabilním entrainmentu působí časovač vždy v takové fázi cirkadiánního oscilátoru, že fázový posun = FRP - T Johnson et al. 2003

1-bodový diskrétní entrainment: chování oscilátoru jestliže PRC vykazuje fázový posun o velikosti FRP-T v bodě, kde sklon křivky je mezi 0 a -2, pak je dosaženo entrainmentu, a to s rozdílem fázových úhlů specifickým pro délku T-cyklu mimo tyto meze entrainmentu je buď fáze nestabilní, nebo nastává frekvenční demultiplikace (perioda oscilátoru je ná-sobkem T), případně relativní koordinace relativní koordinace: pohybová aktivita zlatých křečků v T-cyklech s 15 min světla (Pittendrigh a Daan 1976) Johnson et al. 2003

2-bodový diskrétní entrainment 2 pulzy světla v každém cyklu, s pevným intervalem mezi nimi („skeletová fotoperioda“) během jednoho cyklu jsou tedy 2 fázové posuny; jejich součet se musí rovnat FRP - T cirkadiánní oscilátor se synchronizuje se skeletovou fotoperiodou do určité míry podobně jako s kompletním fotoperiodickým režimem: pulzy světla jsou ekvivalentní rozsvícení a zhasnutí Johnson et al. 2003

2-bodový diskrétní entrainment („skeletové fotoperiody“) simulace s využitím PRC velmi dobře předpovídá pozorované jevy (rozdíl fázových úhlů cirkadiánního rytmu vzhledem ke světelným pulzům, fázový skok, bistabilita) 10.3 - 13.7 h bistabilita Pittendrigh a Minnis 1964

Co diskrétní model entrainmentu nevysvětluje? entrainment při kompletní fotoperiodě: rozsvícení a zhasnutí nejsou vždy ekviva-lentní krátkým pulzům světla (při dlouhých fotoperiodách nedochází k fázovému skoku) možná zde působí kontinuální entrainment? Pittendrigh a Minnis 1964

Co diskrétní model entrainmentu nevysvětluje? nevysvětluje zásadní vlastnosti PRC: proč mají PRC svůj typický průběh? proč existují dva hlavní typy PRC? proč se často při zvyšování síly časovače mění PRC typu 1 skokově na typ 0? Johnson 1999

Co diskrétní model entrainmentu nevysvětluje? singularitu: časovač určité síly a působící ve specifické fázi nevyvolá posun fáze, ale arytmicitu singularita v rytmu otevírání květů Kalanchoe blossfeldiana (z Engelmann 2004)

„fázový prostor“ (phase space) Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus cirkadiánní oscilátor lze modelovat pomocí soustavy diferenciálních rovnic koncepce limitních cyklů předpokládá, že hladiny některých komponent oscilátoru se cyklicky mění - tyto složky nazýváme stavové proměnné (state variables) u reálných cirkadiánních oscilátorů odpovídají stavovým proměnným patrně hladiny proteinů vztahy mezi stavovými proměnnými lze znázornit buď časovým průběhem, nebo v takzvaném fázovém prostoru časový průběh „fázový prostor“ (phase space)

Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus vlastnosti modelů založených na limitním cyklu: limitní cyklus je stabilní trajektorie, po které oscilují stavové proměnné při vychýlení (perturbaci) se hodnoty stavových proměnných postupně vracejí na limitní cyklus izochrony: křivky ve fázovém prostoru spojující body, z nichž se stavové proměnné vrátí na limitní cyklus ve stejné fázi (názorněji - křivky spojující body se stejným „cirkadiánním časem“) izochrona CT 4 12 6 18 perturbace (pulz světla) limitní cyklus návrat na limitní cyklus (výsledek perturbace v CT 0 je tedy posun fáze o +4 h CT) stavová proměnná y singularita stavová proměnná x

Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního cyklu vysvětluje jevy neobjasnitelné koncepcí diskrétního entrainmentu: typický průběh PRC Johnson et al. 2003

Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního cyklu vysvětluje jevy neobjasnitelné koncepcí diskrétního entrainmentu: změnu PRC typu 1 na typ 0 při zesilování časovače arytmicitu nastávající po specifickém působení časovače posun do singularity způsobí arytmicitu Johnson et al. 2003

krátký pulz světla příliš nevychýlí stavové proměnné od DD cyklu Model cirkadiánního oscilátoru se dvěma limitními cykly předpokládá existenci 2 limitních cyklů - pro stálé světlo (LL cyklus) a pro stálou tmu (DD) LL cyklus se nachází zhruba na izochroně CT 12 cyklu pro stálou tmu vysvětluje, proč nedochází k fázovému skoku při dlouhých fotoperiodách jedna z možností integrace diskrétního a kontinuálního entrainmentu kompletní fotoperioda skeletová fotoperioda krátký pulz světla příliš nevychýlí stavové proměnné od DD cyklu při dlouhé expozici světlu se stavové proměnné postupně přibližují k LL cyklu ve tmě se stavové proměnné přibližují k DD cyklu na dlouhé fotoperiodě se oscilátor dostane na LL cyklus a po zhasnutí se vrací k DD cyklu z izochrony okolo CT 12; zhasnutí vždy odpovídá přibližně CT 12 a nenastává fázový skok Johnson et al. 2003 podle Peterson 1980