J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin 7: Evoluce cirkadiánní rytmicity

Cirkadiánní oscilátory různých skupin organizmů základní vlastnosti cirkadiánních rytmů jsou stejné u všech organizmů - sdílejí společné rysy i jejich cirkadiánní oscilátory? u oscilátorů nás především zajímá: Kde jsou v organizmu? a Z čeho se skládají? srovnání jejich lokalizace a struktury u modelových druhů z různých taxonů může objasnit evoluci cirkadiánní rytmicity a také např. pomoci při volbě vhodné strategie pro hledání složek oscilátoru u dalších organizmů v současnosti je podrobněji známa molekulární podstata cirkadiánního oscilátoru u sinice Synechococcus elongatus, vřeckovýtrusé houby Neurospora crassa, rostliny Arabidopsis thaliana a dvou živočichů - octomilky Drosophila melanogaster a laboratorní myši

Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u živočichů živočichové mají centrální oscilátor(y) v různých oblastech mozku, v očích apod. například u savců je jeden oscilátor v suprachiazmatickém jádře hypotalamu (SCN), u ptáků jsou oscilátory v očích, SCN a epifýze - jejich relativní důležitost je druhově specifická zničení oscilátoru vyvolá ztrátu rytmicity organizmu léze SCN vlevo: pohybová aktivita křečka s lézí SCN (Stetson a Watson-Whitmyre 1976) vpravo: pohybová aktivita vrabce s odstraněnou epifýzou (Binkley 1993) změna režimu z LD 14:10 na DD

z orgánů myši kultivovaných in vitro (Yoo et al. 2004) Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u živočichů autonomní oscilátory byly objeveny také v periferních orgánech a i v izolovaných buňkách! centrální oscilátory živočichů proto zřejmě slouží především k synchronizaci periferních oscilátorů rytmy hladiny cirkadiánně regulované mRNA, měřené pomocí luminiscence v řezech z orgánů myši kultivovaných in vitro (Yoo et al. 2004)

Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u rostlin cirkadiánní oscilace přetrvávají i v izolovaných orgánech, buňkách a protoplastech – každá buňka má patrně vlastní oscilátor centrální oscilátor u rostlin nenalezen některé experimenty ukazují, že oscilátory jednotlivých buněk jsou navzájem dost nezávislé Každá děloha semenáčku CAB::LUC tabáku byla synchronizována s jiným LD režimem (rozdíl fází 12 h) a luminiscence pak měřena v LL. Thain et al. 2000

Lokalizace cirkadiánních oscilátorů u rostlin oscilátory v různých orgánech se zřejmě poněkud liší (v kořenech jen ranní smyčka?) možná synchronizace rytmů mezi prýtem a kořeny (zprostředkováno sacharidy???) cirkadiánní oscilátory v prýtu a kořeni Arabidopsis thaliana, Más a Yanovsky 2010

3 smyčky (ranní, večerní, centrální) Cirkadiánní oscilátor Arabidopsis thaliana (připomenutí z minulé přednášky) 3 smyčky (ranní, večerní, centrální) představa zatím není definitivní: neznámé komponenty, možná i další smyčky model cirkadiánního oscilátoru Arabidopsis thaliana, Pruneda-Paz a Kay 2010

Cirkadiánní oscilátor Neurospora crassa vřeckovýtrusá houba obvykle se sleduje dobře analyzovatelný cirkadiánní rytmus v produkci asexuálních spor (konidií): mycelium prorůstá stálou rychlostí agarem a v cirkadiánních intervalech produkuje konidie Crosthwaite 2004

Cirkadiánní oscilátor Neurospora crassa hlavní složky: WC-1, WC-2 (zinc-finger transkripční faktory s PAS doménami pro meziprotei-novou interakci, WC-1 je i receptor modrého světla); FRQ (interaguje s komplexem WC-1/2), FRH (interaguje s dimerem FRQ) možná ještě další smyčky („FRQ-less oscillators“) + FRH Crosthwaite 2004

Cirkadiánní oscilátor Neurospora crassa kromě regulace transkripce jsou důležité i posttranslační regulace (hlavně fosforylace a degradace proteinů) Heintzen a Liu 2007

Cirkadiánní oscilátor Drosophila melanogaster hlavní složky: Clock, Cycle (bHLH transkripční faktory, PAS domény); PER (PAS domény); TIM (dimerizuje s PER) důležitá je regulace aktivity proteinů na úrovni fosforylace (např. inhibice Cycle/Clock) entrainment světlem: zprostředkovaný přes CRY (kryptochrom - receptor modrého světla) + kináza Double-time Looby a Loudon 2005

Cirkadiánní oscilátor laboratorní myši hlavní složky: Clock, Bmal1 (bHLH transkripční faktory, PAS domény); PER (PAS domény); CRY (zde transkripční inhibitor, ne receptor světla jako u Drosophila melanogaster) na rozdíl od D. melanogaster dimerizuje s PER CRY, ne TIM. Další smyčky oscilátoru využívají jiné proteiny než u D. melanogaster (šedě) Looby a Loudon 2005

Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus hlavní složky: KaiA, KaiB, KaiC KaiC má schopnost autofosforylace a autodefosforylace první model předpokládal transkripční/translační smyčku jako u eukaryot Ishiura et al. 1998

Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus pak ale objeven posttranslační oscilátor (PTO): rytmické změny fosforylace KaiC, regulované interakcemi s KaiA a KaiB Johnson et al. 2008

Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus transkripční/translační smyčka (TTFL) je rychle vyhasínající oscilátor uvnitř něj je posttranslační oscilátor (PTO) PTO generuje robustní rytmy: nejsou ovlivněny ani dělením buněk (které výrazně mění rychlost transkripce) Johnson et al. 2008

Cirkadiánní oscilátor sinice Synechococcus elongatus míra fosforylace proteinu KaiC osciluje také v systému in vitro (složky: KaiC, KaiA, KaiB, ATP), a to s cirkadiánní periodou a dokonce i s teplotní kompenzací Nakajima et al. 2005

Závěry z porovnání oscilátorů každá živočišná i rostlinná buňka má zřejmě vlastní oscilátor; u živočichů jsou centrálně koordinovány, u rostlin ne (nebo málo) oscilátory prokaryot a eukaryot jsou patrně principiálně odlišné Jednotlivé eukaryotní říše (živočichové, houby, rostliny) mají oscilátory založené na zpětnovazebných smyčkách, z nichž aspoň jedna je negativní. Ovšem proteiny v nich zahrnuté jsou mezi říšemi příbuzné jen málo (homologie mezi WC-1 Neurospory a CYC+BMAL1 živočichů) nebo vůbec. v rámci říší existují podobnosti ve stavbě oscilátoru (např. Drosophila a myš), ale nikoli plná konzervace složek oscilátoru a jejich regulací V roce 2011 objeveny dva eukaryotní oscilátory, které mohou fungovat bez transkripce: nalezeny v lidských červených krvinkách a v jednobuněčné zelené řase Ostreococcus tauri. Můžeme se tedy dočkat ještě řady překvapivých zjištění.

Co je v eukaryotních cirkadiánních oscilátorech evolučně konzervováno? hlavní princip: oscilátor je systém vzájemně interagujících zpětnovazebných smyček s výraz-nou rolí regulace transkripce velká role posttranslačních modifikací proteinů (degradace závislá na ubikvitinu, fosforylace) Některé ze zúčastněných kináz a fosfatáz jsou homologní i mezi vzdálenými taxony. Mnohé jsou ale dosti univerzální a mají v buňce řadu dalších substrátů kromě proteinů cirkadiánního oscilátoru. PAS domény (včetně podrodiny LOV) v mnoha oscilátorových proteinech. PAS domény jsou ovšem velmi rozšířené, obecně slouží k meziproteinové interakci, hlavně při odpovědi na signály z vnějšího nebo vnitřního prostředí organizmu. PAS domény ve vybraných oscilátorových a fotoreceptorových proteinech - Looby a Loudon 2005

Jak mohla probíhat evoluce cirkadiánní rytmicity? vznik několikrát nezávisle v hlavních říších organizmů; pro oscilátor pokaždé použity jiné proteiny, často takové, které se účastnily vnímání světla nebo jiných signálů z prostředí nebo vznik pouze jednou (eventuálně dvakrát – u prokaryot a eukaryot), ovšem vývoj oscilátorů je tak rychlý, že podobnosti již nelze vysledovat vznik pouze jednou (ev. dvakrát) a konzervováno je něco, o čem dosud nevíme nebo nedoceňujeme jeho důležitost??? Např. zatím neobjevené proteiny, regulace fosforylace atd.?