Скачать работу в формате MO Word.

Цирканные ритмы и календарные клетки млекопитающих



Цирканные ритмы и

календарные клетки

млекопитающих.

Обобщение гипотез







Реферат подготовил

Смирнов Иван, 217гр


СОДЕРЖАНИЕ:


Краткое содержание 3

Механизмы поддержания долгосрочных ритмов 4

Влияние мелатонина на календарные клетки 6

Расшифровка сигнала мелатонина
в календарных клетках РТ 7

Механизм работы календарных клеток в РТ 8

Расположение других календарных клеток 8

Обобщенная модель цирканных ритмов 10

Перспективы вопроса: 11

Список литературы 11



Краткое содержание:


Два механизма регулируют сезонную физиологию и поведение млекопитающих, в том числе и человека. Это секреция мелатонина в зависимости от продолжительности светового дня и автономная генерация цирканного ритма. В обзоре приведены факты, казывающие на возможность мелатонин-зависимой регуляции экспрессии календарных генов. Возможно, мелатониновая регуляция представляет собой молекулярный механизм отсчета цирканных ритмов.

Агранулярные секреторный клетки

Исследования сезонности размножения хомяков и овец показали, что цирканная экспрессия календарных генов зависит от долготы светового дня, опосредованной сигналом мелатонина. В РТ сирийских и сибирских хомяков ритмичная экспрессия гена

Ген

В данном обзоре сделана попытка выявить другие календарные клетки в пределах ЦНС, которые контролируют периодичность размножения и других сезонных изменений. Вторая задача - изучить, является ли молекулярный механизм поддержания цирканных ритмов - консервативным для млекопитающих.


Реферат основан на обзоре, опубликованном в Journal G A Lincoln, H Andersson

лClock genes in calendar cells as the basis of annual timekeeping in mammals - a unifying hypothesis.


Механизмы поддержания долгосрочных ритмов


Механизмы долгосрочного отслеживания времени распространены в природе. Они позволяют организмам подготовиться к изменениям среды задолго до их начала, помогают выживать и успешно размножаться. Цикличность активности гонад, линьки покровов, потребления пищи, массы тела и спячки существует у многих млекопитающих.

Сезонные ритмы точно отлажены, так что детеныши рождаются в наиболее благоприятный период, или например организм мобилизуется перед суровой зимой. Сирийские и сибирские хомяки, овцы, белки, норки, лисы, медведи, олени, обезьяны - наиболее изученные виды, и для каждого из них выявлены специфические наборы сезонных адаптаций.

Указанные представители обитают в словиях севера, но цикличность в репродуктивном периоде необходима и тропическим животным. Так, особи в популяции могут синхронно приступать к размножению, готовиться к сезону дождей или меньшать потери от хищников (например тропические летучие мыши и лемуры), или же за счет асинхронности снижать конкуренцию среди самцов за право спариваться (например мужские особи азиатского и африканского слона или тропический олень).

Самцы пятнистого оленя, живущего около экватора, имеют схожий тестикулярный ритм секреции, тогда как связанный с ним рост рогов определяется ритмом каждой конкретной особи.

Тропический цирканный ритм сохраняется, даже если животное перевезти в северные широты, передаваясь в исходном варианте во многих поколениях. (Loudon & Curlewis 1988, Lincoln

Выделяют два механизма поддержания цирканных притмов у млекопитающих.

Первый - фотопериодизм, это отслеживание годичного изменения длины светового дня и соответствующие изменения в физиологии и поведении.

(Tamarkin et al. 1985).

фотопериодизм осуществляется с помощью фотоиндукции - генетически запрограммированный ответ на смену длинного светового дня на короткий и наоборот.

Этот процесс тесно связан с фоторефрактерностью - изменение в физиологии через недели или месяцы, противоположные начальным. Действуя на подобии отрицательной обратной связи, фоторефрактерность позволяет замкнуть цикл.

На рисунке 1 показан график фотопериод-зависимой секреции пролактина и зависимая от него линька у сибирского хомяка и овец.

Секреция пролактина усиливается на фоне длинного светового периода, запуская физиологические ответы, характерные для лета. Имитирующий зимний период короткий фотопериод, наоборот - гнетает секрецию пролактина.

Сибирские хомяки проявляют фоторефрактерность в ответ на продленный режим короткого светового дня. Так, через 38 недель ровень пролактина достигает летней нормы, также формируется присущая лету окраска агути.

(Bockers et al. 1997, Kuhlmann et al. 2003)


Рефрактерность в данном случае имеет важное биологическое значение: она позволяет животному начать адаптацию к весенне-летнему периоду до выхода из зимней спячки.

Рисунок 1

цирканные изменения в секреции пролактина и связанном с ним ритме линьки у (а) сибирского хомяка и (б) овцы.

LD - длинный фотопериод, имитация летнего светового дня

SD - короткий фотопериод, имитация зимнего светового дня



















Второй механизм представляет собой генерацию непосредственно цирканного ритма. Эта способность была подмечена у многих долгоживущих млекопитающих, независимо от географической широты. Цирканные ритмы продолжают проявлять себя в потомстве, при помещении в зоопарк, несмотря на изменившиеся (выровненные человеком) условия обитания.

(Gwinner 1986, Woodfill et al. 1994)


У некоторых животных (например, зимующей земляной белки, тропических летучих мышей) эндогенный цирканный ритм доминирует, несмотря на несоответствие его фотопериодизму новой среды обитания, тогда как другие животные (например, олени, овцы) подвержены совместному влиянию фотопериодизма и внутреннего цирканного ритма. В последнем случае, фотопериодизм может определять - запускать или нет цирканные ритмы, причем фоторефрактерность при постоянной продолжительности светового дня в таком случае - не отличается от запуска цирканного ритма.

Следовательно, эндогенный регулятор, ответственный за начало фоторефрактерности и генератор цирканных ритмов могут быть единым, наследуемым образованием.

(Prendergast et al. 2002).


Это предполагает наличие единого молекулярного механизма, лежащего в основе генерации цирканных ритмов - подобного тому, что был открыт для циркадианных ритмов.

(Reppert & Weaver 2002)


В генерации циркадианных ритмов задействованы 12 генов (открытых на данный момент), взаимодействующих таким образом, что обеспечивают авторегуляцию поочередной транскрипции самих себя. Эти гены экспрессируются в SCN, где они формируют центральный циркадианный песмейкер. Наблюдается экспрессия этих генов и в других нейрональных клетках, но назначение ее пока неясно.


Влияние мелатонина на календарные клетки


У млекопитающих фотопериодизм определяется тем, как эпифиз преобразует продолжительность фотопериода в сигнал мелатонина и от того, как продолжительность сигнала мелатонина будет преобразована в цирканный ритм.

Свет действует исключительно на рецепторы сетчатки, оказывая влияние на синтез мелатонина двумя различными путями.

Первый - коррекция циркадианных ритмов нейронов SCN.

(Sumova et al. 1995, Nuesslein-Hildesheim et al. 2)


SCN регулирует циркадианные ритмы сна-бодрствования, температуру тела и др.

Второй - по ретино-гипоталамо-симпатическому пути, ингибирует выброс мелатонина.

Таким образом, секреция мелатонина приходится на ночное время суток.

Мелатонин секретируется в кровоток и ликвор (где и наблюдается его максимальная концентрация

(Malpaux et al. 2001) Липофильная природа мелатонина гарантирует его своевременную доставку во все органы и клетки, способные воспринять его сигнал.


Сигнал мелатонина способны воспринимать клетки гипофиза, SCN и, возможно, клетки других тканей. Чувствительные клетки экспрессируют высокочувствительные

Таким образом, календарные клетки встречаются в различных органах и выполняют свою специфическую функцию - разделяют длинный и короткий сигналы мелатонина.


На данный момент наилучшим образом охарактеризованы агранулярные секреторные клетки РТ гипофиза, ответственные за секрецию пролактины и зависимые от него физиологические и поведенческие изменения - линку, прием пищи, ровень метаболизма, активность гонад и т.д.

Предполагается, что клетки РТ, воспринимающие сигнал мелатонина, передают команду к секреции пролактина лактотрофам дистальной части гипофиза посредством тубералинов - релизинг-факторов пролактина, работающих паракринными факторами в пределах гипофиза

(Hazlerigg et al. 1996, Morgan et al. 1996)

Исследования на животных показали, что содержание тубералинов возрастает при длинном фотопериоде и уменьшается при коротком, так же ингибируется мелатонином.


Расшифровка сигнала мелатонина в календарных клетках РТ


О важности РТ в регуляции мелатонином биологических ритмов свидетельствует высокое сродство ткани к мелатонину (I125меченный мелатонин) так же топография РТ - в непосредственной близости от гипофиза.

(Morgan 2, Hazlerigg et al. 2001).

На примере РТ изучались молекулярные механизмы расшифровки сигнала мелатонина. Использовались также модели in vivo с разобщенной гипоталамо-гипофизарной связью для выяснения роли РТ в регуляции секреторной активности лактотрофов.


Мелатонин взаимодействует с

это вызывает ингибирование аденилат-циклазы, что ведет к дозозависимому меньшению кол-ва сАМР в клетке. Одновременно величивается количество ранних рецепторов сАМР(ICER), то есть происходит сенсибилизация клетки в сАМР.

Так, мелатонин с одной стороны гнетает синтез сАМР, с другой - при долгом воздействии - повышает (отложенную на 8-16ч) чувствительность к нему клетки.

Экспрессия генов


Механизм работы календарных клеток в РТ


Продолжительность светового дня влияет на относительное время начала экспрессии генов, отвечающих за суточные ритмы. Так, пик экспрессии генов

Если посчитать интервал между пиками экспрессии, то полученная величина Q<=Cry<-

На модели SCN известно, что продукты генов, белкиЦфакторы транскрипции

Подобных исследований на РТ не проводилось, но, предположительно, регулируемая мелатонином (через фотопериодизм) величина Q контролирует соотношение гетеродимеров


Расположение других календарных клеток


Считается, что различные типы календарных клеток, расположенные в мозге, гипофизе и других органах позволяют лучше регулировать сезонную физиологию работы отдельных органов.

Пролактиновая ось

Календарные клетки РТ находятся в непосредственной близости к эффекторам - лактотрофам.

(Lincoln et al. 1978)

Пролактин действует системно и на отдельные ткани (см.выше), в т.ч. осуществляя отрицательную обратную связь на ровне гипоталамуса. Короткое время ответа обусловлено непосредственной близостью регуляторный календарных клеток и эффекторного звена - лактотрофов.

Hinds & Loudon 1997, Lincoln 1).

Ось гонадотропина

Календарные клетки, осуществляющие сезонный контроль гонадотропной оси расположены в мозге, но не в гипофизе. На это казывают эксперименты по хирургическому разобщению различных частец мозга. К примеру, электролитическое разобщение медиобазального гипоталамуса (MBH) приводит к нарушениям тестикулярного ритма, и невосприимчивости этого ритма к введениям в кровь мелатонина.

Maywood & Hastings 1995).

Локальное введение мелатонина в части гипоталамуса имеет определенные эффекты на ритм активности гонад.

(Lincoln & Maeda 1992a,b, Malpaux et al. 1995, 1998

Раздражение электродами, введенными именно в MBH (а не в преоптическую область, латеральный гипоталамус или гипофиз) вызывает секрецию гонадотропина у животных, содержащихся в словиях короткого светового дня (в этих словиях высокий ровень мелатонина и секреция гонадотропина в норме подавлена). Исследования показали, что существует несколько областей мозга, в результате локального введения мелатонина дающих фоторефрактерность по репродуктивной оси.

(Freeman & Zucker 2001)

Фенотип календарных клеток в пределах репродуктивной оси не определен ни у одного млекопитающего, но вероятными кандидатами представляются дофаминэргические и/или РОМС-эргические клетки.

(Goodman et al. 2002, Lincoln 2002, Thiery et al. 2002).

Считается, что они модулируют секрецию гонадотропин релизинг-фактора.

Для фотопериодического контроля репродуктивной оси характерно долгое время ответа предположительно из-за более сложного нейроэндокринного регуляторного звена.

(Lincoln 1, Billings et al. 2002)

О природе календарных клеток репродкутивной оси может сказать следующий эксперимент: при тиреоидэктомии нарушается ритм секреции гонадотропина, но не пролактина. Это еще один факт в пользу нейрональной природы регуляции репродуктивной оси (эффекторы передают сигнал по тироксин-зависимым синапсам)

Соматотропная ось

На данный момент меньше всего изучены механизмы сезонной регуляции массы тела и ровня метаболизма. По результатам экспериментов можно тверждать лишь то, что отвечающие за соматотропную ось календарные клетки располагаются в гипоталамусе и локализованы в нескольких местах.

Секреция NPY, AGRP, орексина может модулироваться введением в MBH мелатонина. Иссечение

(Lincoln et al. 2001).

МОЗГ ГИПОФИЗ ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ

ТКАНИ

а
Обобщенная модель цирканных ритмов


Окологодичные физиологические ритмы реализуются через механизм календарных клеток в гипофизе, гипоталамусе и, возможно, в других отделах мозга. Календарные клетки регулируют сезонную физиологию и поведение. Календарные клетки имеют различный фенотип, в зависимости от того, нервную или эндокринную систему они регулируют.

Наличие нескольких отдельных календарных систем, подчиняющихся общему для них сигналу мелатонина согласуется с результатами экспериментов по разобщению отделов мозга, продлению сигнала мелатонина, приводящих к диссоциации ритмов.

Календарные клетки экспрессируют полный набор генов, необходимый для молекулярного механизма. Кроме циркадианного ритма экспрессии генов семейств

Механизм определения фазы годичного цикла - дискуссионный вопрос.

Одной из версий является привязка к количеству комплекса


Человеку свойственна секреция всех элементов фотопериодической сезонной регуляции, однако в относительно малой степени по сравнению с другими млекопитающими.

(Roenneberg & Aschoff 1990, Wehr 2001).

Для человека свойственно сезонность в рождении детей, качестве семени, вероятности близнецов, метаболизме глеводов, динамике веса и в поведении включая нервные расстройства и невротическую булимию.

(Wehr & Rosenthal 1989, Blouin et al. 1992, Wirz-Justice et al. 2001)



Перспективы вопроса:


Следует попытаться изучать сезонность физиологии человека с тем, чтобы в дальнейшем применять эти знания для диагностики, лечения нарушений.

Структура

Соотносить новые экспериментальные данные с общей гипотезой цирканных ритмов, дорабатывать гипотезу, искать новые модели


Список литературы:


Anderson GM & Barrell GK 1998 Eа

Archer ZA, Findlay PA, Rhind SM, Mercer JG & Adam CL 2002а Orexin gene expression and regulation by photoperiod in the sheepа

Bartness TJ, Demas GE & Song CK 2002 Seasonal changes inа

Billings HJ, Viguie C, Karsch FJ, Goodman RL, Connors JM &а Anderson GM 2002 Temporal requirements of thyroid hormonesа

Bittman EL, Bartness TJ, Goldman BD & DeVries GJ 1991 SCNа

Blouin A, Blouin J & Aubin P 1992 Seasonal patterns of bulimiaа

Bockers TM, Bockmann J, Salem A, Niklowitz P, Lerchl A, Huppertzа M, Wittkowski W & Kreutz MR 1997 Initial expression of theа

Chemineau P, Daveau A, Pelletier J, Malpaux B, Karsch FJ & Viguieа C 2003 Changes in the 5-HT2A receptor system in the premammillaryа

Clarke IJ, Cummins JT & de Kretser DM 1983 Pituitary glandа

Clarke IJ, Rao A, Chilliard Y, Delavaud C & Lincoln GA 2003а

Freeman DA & Zucker I 2001 Refractoriness to melatonin occursа

Goldman BD 2001 Mammalian photoperiodic system: formalа

Goodman RL, Gibson M, Skinner DC & Lehmen MN 2002а Neuroendocrine control of pulsatile GnRH secretion during theа

Goss RJ 1977 Photoperiodic control of antler cycles in deer. (iv)а E

Gwinner E 1986 Circannual Rhythms: Endogenous Annual Clocks in theа Organization of Seasonal Processes. Berlin, Heildelberg: Springer-а Verlag. Hazlerigg DG, Gonzalez-Brito A, Lawson W, Hastings MH &а Morgan PJ 1993 Prolonged exposure to melatonin leads toа

Hazlerigg DG, Hastings MH, & Morgan PJ 1996 Production of aа

Hazlerigg DG, Morgan PJ & Messager S 2001 Decodingа

Hinds LA & Loudon ASI 1997 Mechanisms of seasonality inа : UNSW Press. Howles CM, Craigon H & Haynes NB 1982 Long-term rhythms ofа

Illnerova H & Sumova A 1997 Photic entrainment of the mammalianа rhythm in melatonin production. Journal of Biological Rhythms 12а 54Ц.

Johnston JD, Cagampang FRA, Stirland JA, Carr AJF, White MRH, Davis JRE & Loudon ASI 2003 Evidence for an endogenous

Karsch FJ, Robinson JE, Woodfill CJ & Brown MB 1989 Circannualа

Klein DC, Coon SL, Roseboom PH, Weller JL, Bernard M, Gastelа JA, Zatz M, Iuvone PM, Rodriguez IR, Begay V, Falcon J

Kuhlmann MT, Clemen G & Schlatt S 2003 Molting in theа Djungarian hamster (

Kume K, Zylka MJ, Sriram S, Shearman LP, Weaver DR, Jin X, Maywood ES, Hastings MH & Reppert SM 1 mCRY1 andа

Lee TM & Zucker I 1991 Suprachiasmatic nucleus and photicа

Lincoln GA 1 Melatonin modulation of prolactin andа

Lincoln GA 2002 Neuroendocrine regulation of seasonalа

Lincoln GA & Clarke IJ 1994 Photoperiodically-induced cycles in theа

Lincoln GA & Clarke IJ 1997 Refractoriness to a static melatoninа

Lincoln GA & Clarke IJ 2 Role of the pituitary gland in theа development of photorefractoriness and generation of long-termа

Lincoln GA & Clarke IJ 2002 Noradrenaline and dopamine regulationа

Lincoln GA & Maeda KI 1992

Lincoln GA & Maeda K 1992

Lincoln GA & Richardson M 1998 Photo-neuroendocrine control ofа

Lincoln GA, McNeilly AS & Cameron CL 1978 The e

Lincoln GA, Clarke IJ & Sweeney T 1996

Lincoln GA, Dayawansa N & Ratnasooriya WD 1996 close to theа GA, Rhind SM, Pompolo S & Clarke IJ 2001 Hypothalamicа

Lincoln G, Messager S, Andersson H & Hazlerigg D 2002 Temporalа

Lincoln GA, Andersson H & Clarke IJ 2003 Lincoln GA, Andersson H & Hazlerigg D 2003

Loudon ASI 1994 Photoperiod and regulation of annual and circannualа

Loudon ASI & Curlewis JD 1988 Cycles of antler and testicularа

McNulty S, Ross AW, Barrett P, Hastings MH & Morgan PJ 1994а Melatonin regulates the phosphorylation of CREB in ovine parsа

Malpaux B, Skinner DC & Maurice F 1995 The ovine pars tuberalisа does not appear to be targeted by melatonin to modulate luteinizingа

Malpaux B, Daveau A, Maurice-Mandon F, Duarte G & Chemineauа

Malpaux B, Migaud M, Tricoire H & Chemineau P 2001 Biology ofа

Martinet L, Mondain-Monval M & Monnerie R 1992 Endogenousа

Maywood ES & Hastings MH 1995 Lesions of the iodomelatoninbindingа

Messager S, Ross AW, Barrett P & Morgan PJ 1 Decodingа

Messager S, Hazlerigg DG, Mercer JG & Morgan PJ 2а

Messager S, Garabette ML, Hastings MH & Hazlerigg DG 2001а Tissue-specific abolition of Per1 expression in the pars tuberalis byа

Morgan PJ 2 The pars tuberalis: the missing link in theа

Morgan PJ & Mercer JG 2002 The regulation of body weight: lessonsа

Morgan PJ, Barrett P, Howell HE & Helliwell R 1994 Melatoninа receptors: localization, molecular pharmacology and physiologicalа

Morgan PJ, Webster CA, Mercer JG, Ross AW, Hazlerigg DG, MacLean A & Barrett P 1996 The ovine pars tuberalis secretes aа

Morgan PJ, Ross AW, Graham ES, Adam C, Messager S & Barrett Pа 1998 oPer1 is an early response gene under photoperiodicа regulation in the ovine pars tuberalis. Journal of Neuroendocrinology 10а 319-323.

Murphy CT, McCarroll SA, Bargmann CI, Fraser A, Kamath RS, Ahringer J, Li H & Kenyon C 2003 Genes that act downstream ofа DAF-16 to influence the life

Nuesslein-Hildesheim B, OТBrien JA, Ebling FJ, Maywood ES &а Hastings MH 2 The circadian cycle of mPER clock geneа

New York: Academic Press.

Kolattukudy PE & Nelson RJ 2002а Hypothalamic gene expression in reproductively photoresponsiveа

Reppert SM & Weaver DR 2002 Coordination of circadian timing inа

Reppert SM, Weaver DR & Ebisawa T 1994 Cloning andа

Roenneberg T & Ascho

Rousseau K, Atcha Z & Loudon ASI 2003 Leptin and seasonalа

Stirland JA, Johnston JD, Cagampang FR, Morgan PJ, Castro MG, White MR, Davis JR & Loudon AS 2001 Photoperiodic regulationа

Sumova A, Travnickova Z, Peters R, Schwartz WJ & Illnerova Hа 1995 The rat suprachiasmatic nucleus is a clock for all seasons.

Tamarkin L, Baird CJ & Almeida OF 1985 Melatonin: a coordinatingа

Thiery JC, Chemineau P, Hernandez X, Migaud M & Malpaux Bа 2002 Neuroendocrine interactions and seasonality. Domestic Animalа Endocrinology 23 87-100.

Tilbrook AJ, de Kretser DM & Clarke IJ 1 Seasonal changes in theа

Wehr TA 2001 Photoperiodism in humans and other primates:а

Wehr TA & Rosenthal NE 1989 Seasonality and a

Williams LM, Lincoln GA, Mercer JG, Barrett P, Morgan PJ &а Clarke IJ 1997 Melatonin receptors in the brain and pituitary glandа

Wirz-Justice A, Krauchi K & Graw P 2001 An underlying circannualа rhythm in seasonal a

Woodfill CJ, Wayne NL, Moenter SM & Karsch FJ 1994а