Sn

1
J. Kolár - Biologické rytmy a fotoperiodizmus
rostlin
3 Synchronizace cirkadiánních rytmu s denními
zmenami prostredí
2

• cirkadiánní rytmy - grafické znázornení
• nejbežnejší je graf casového prubehu merené
  veliciny

aktivita promotoru genu pro protein CAB2 v
Nicotiana tabacum - mereno pomocí bioluminiscence
rostlin s reporterovým genem pro luciferázu,
který je rízen promotorem cab2 (data J. Kolár)
3

• cirkadiánní rytmy - grafické znázornení
• castý je také double-plot data z jednotlivých
  dnu jsou srovnána pod sebou a zdvojena
• z double-plotu se dobre vizuálne stanoví
  perioda, zmeny fáze apod.

pohybová aktivita myši (Pittendrigh 1993)
4
pohybová aktivita hlodavce Peromyscus maniculatus
(Pittendrigh a Minnis 1964)
5

• synchronizace cirkadiánních rytmu s denní
  periodicitou prostredí
• (pripomenutí z minulé prednášky)
• v prírode je nezbytné, aby cirkadiánní rytmy
  mely periodu presne 24 hodin a také patricnou
  fázi ve vztahu k periodicite vnejších faktoru
  (listy sklopené v noci, produkce fotosyntetických
  proteinu pres den apod.)
• to je zajišteno procesem zvaným entrainment
  (nejlepší ceský preklad asi synchronizace, což
  ovšem není úplne presné)
• entrainment cirkadiánních rytmu je tedy nezbytný
  pro casování aktivit organizmu do správné denní
  doby - musí proto zajistit vhodný vztah fází
  (tzv. rozdíl fázových úhlu, angl. phase angle
  difference) mezi rytmicitou prostredí a
  cirkadiánním oscilátorem
• entrainment je vždy vyvolán nejakým podnetem z
  prostredí, tzv. casovacem (angl. zeitgeber)
• casovac je nejcasteji svetlo/tma, bežne i zmeny
  teploty u živocichu nekdy také sociální stimuly,
  dostupnost potravy aj.

6
Kritéria entrainmentu

• Behem entrainmentu pusobí vnejší rytmus
  (periodicita casovace) na endogenní (cirkadiánní)
  rytmus. Entrainment musí splnovat tyto podmínky
• délka periody endogenního rytmu se rovná délce
  periody vnejšího rytmu
• ustaví se stabilní rozdíl fází mezi endogenním a
  vnejším rytmem (napr. listy jsou nejvíce sklopeny
  vždy 8 h po zhasnutí)
• po presunu do konstantních podmínek pokracuje
  endogenní rytmus s volne bežící periodou a s
  fází, která je urcena predchozím pusobením
  vnejšího rytmu

7

• Dva typy modelu pro vysvetlení experimentálne
  zjišteného entrainmentu
• diskrétní Casovace jsou jednorázové události
  (hlavne rozednení a setmení, v nekterých
  prípadech zmeny teploty aj.). Synchronizace s
  rytmicitou prostredí je dosaženo tím, že casovace
  vyvolávají zmeny fáze endogenního rytmu (fázové
  posuny, angl. phase shifts).
• kontinuální Casovace pusobí kontinuálne
  (nejcasteji svetlo behem celého dne, tma v noci).
  Synchronizace s rytmicitou prostredí je dosaženo
  mimo jiné tím, že casovace zpusobují zmeny
  periody endogenního rytmu (je napr. známo, že
  délka periody závisí na intenzite osvetlení).
• diskrétní modely entrainmentu jsou v soucasnosti
  nejúspešnejší - nejsou príliš složité a pritom
  dobre vysvetlují velké množství experimentálních
  dat

8

• fázové posuny (phase shifts)
• casovac (napr. pulz svetla behem stálé tmy)
  vyvolá zmenu fáze volne bežícího rytmu
• velikost a smer fázového posunu závisí na fázi
  rytmu, v níž casovac pusobí

9

• diskrétní entrainment
• hlavní predpoklad aplikace casovace vyvolá
  ruzné fázové posuny v ruzných fázích
  cirkadiánního rytmu
• klícovým pojmem proto krivka fázové odpovedi
  (phase response curve, PRC)

nejcastejší tvar PRC pro úcinek krátkého pulzu
svetla behem stálé tmy
10
diskrétní entrainment postup pro získání PRC
vliv 15-min pulzu svetla na rytmus pohybové
aktivity myši ve stálé tme (Benloucif a
Dubocovich 1996)
11

• diskrétní entrainment
• prubeh cirkadiánního rytmu lze modelovat na
  základe znalosti endogenní periody (FRP), prubehu
  PRC pro daný casovac a periodicity casovace

modelová PRC pro vliv 15-min pulzu svetla na
rytmus líhnutí z kukel u Drosophila, použitá pro
simulaci (z Johnson 1997)
12

• 1-bodový diskrétní entrainment
• pravidelné opakování casovace s urcitou periodou
  (T), která muže být i jiná než 24 h (T-cykly)
• pri stabilním entrainmentu pusobí casovac vždy v
  takové fázi cirkadiánního oscilátoru, žefázový
  posun FRP - T

Johnson et al. 2003
13

• 1-bodový diskrétní entrainment chování
  oscilátoru
• jestliže PRC vykazuje fázový posun o velikosti
  FRP-T v bode, kde sklon krivky je mezi 0 a -2,
  pak je dosaženo entrainmentu, a to s rozdílem
  fázových úhlu specifickým pro délku T-cyklu
• mimo tyto meze entrainmentu je bud fáze
  nestabilní, nebo nastává frekvencní
  demultiplikace (perioda oscilátoru je ná-sobkem
  T), prípadne relativní koordinace

relativní koordinace pohybová aktivita zlatých
krecku v T-cyklech s 15 min svetla (Pittendrigh a
Daan 1976)
Johnson et al. 2003
14

• 2-bodový diskrétní entrainment
• 2 pulzy svetla v každém cyklu, s pevným
  intervalem mezi nimi (skeletová fotoperioda)
• behem jednoho cyklu jsou tedy 2 fázové posuny
  jejich soucet se musí rovnat FRP - T
• cirkadiánní oscilátor se synchronizuje se
  skeletovou fotoperiodou do urcité míry podobne
  jako s kompletním fotoperiodickým režimem pulzy
  svetla jsou ekvivalentní rozsvícení a zhasnutí

Johnson et al. 2003
15

• 2-bodový diskrétní entrainment (skeletové
  fotoperiody)
• simulace s využitím PRC velmi dobre predpovídá
  pozorované jevy (rozdíl fázových úhlu
  cirkadiánního rytmu vzhledem ke svetelným pulzum,
  fázový skok, bistabilita)

Pittendrigh a Minnis 1964
16

• Co diskrétní model entrainmentu nevysvetluje?
• entrainment pri kompletní fotoperiode
• rozsvícení a zhasnutí nejsou vždy ekviva-lentní
  krátkým pulzum svetla (pri dlouhých fotoperiodách
  nedochází k fázovému skoku)
• možná zde pusobí kontinuální entrainment?

Pittendrigh a Minnis 1964
17

• Co diskrétní model entrainmentu nevysvetluje?
• nevysvetluje zásadní vlastnosti PRC
• proc mají PRC svuj typický prubeh?
• proc existují dva hlavní typy PRC?
• proc se casto pri zvyšování síly casovace mení
  PRC typu 1 skokove na typ 0?

Johnson 1999
18

• Co diskrétní model entrainmentu nevysvetluje?
• singularitu
• casovac urcité síly a pusobící ve specifické
  fázi nevyvolá posun fáze, ale arytmicitu

singularita v rytmu otevírání kvetu Kalanchoe
blossfeldiana (z Engelmann 2004)
19

• Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus
• cirkadiánní oscilátor lze modelovat pomocí
  soustavy diferenciálních rovnic
• koncepce limitních cyklu predpokládá, že hladiny
  nekterých komponent oscilátoru se cyklicky mení -
  tyto složky nazýváme stavové promenné (state
  variables)
• u reálných cirkadiánních oscilátoru odpovídají
  stavovým promenným patrne hladiny proteinu
• vztahy mezi stavovými promennými lze znázornit
  bud casovým prubehem, nebo v takzvaném fázovém
  prostoru

casový prubeh
fázový prostor (phase space)
20

• Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus
• vlastnosti modelu založených na limitním cyklu
• limitní cyklus je stabilní trajektorie, po které
  oscilují stavové promenné
• pri vychýlení (perturbaci) se hodnoty stavových
  promenných postupne vracejí na limitní cyklus
• izochrony krivky ve fázovém prostoru spojující
  body, z nichž se stavové promenné vrátí na
  limitní cyklus ve stejné fázi (názorneji - krivky
  spojující body se stejným cirkadiánním casem)

stavová promenná y
stavová promenná x
21

• Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního
  cyklu
• vysvetluje jevy neobjasnitelné koncepcí
  diskrétního entrainmentu
• typický prubeh PRC

Johnson et al. 2003
22

• Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního
  cyklu
• vysvetluje jevy neobjasnitelné koncepcí
  diskrétního entrainmentu
• zmenu PRC typu 1 na typ 0 pri zesilování
  casovace
• arytmicitu nastávající po specifickém pusobení
  casovace

Johnson et al. 2003
23

• Model cirkadiánního oscilátoru se dvema limitními
  cykly
• predpokládá existenci 2 limitních cyklu - pro
  stálé svetlo (LL cyklus) a pro stálou tmu (DD)
• LL cyklus se nachází zhruba na izochrone CT 12
  cyklu pro stálou tmu
• vysvetluje, proc nedochází k fázovému skoku pri
  dlouhých fotoperiodách
• jedna z možností integrace diskrétního a
  kontinuálního entrainmentu

skeletová fotoperioda
kompletní fotoperioda
krátký pulz svetla príliš nevychýlí stavové
promenné od DD cyklu
na dlouhé fotoperiode se oscilátor dostane na LL
cyklus a po zhasnutí se vrací k DD cykluz
izochrony okolo CT 12 zhasnutí vždy odpovídá
približne CT 12 a nenastává fázový skok
Johnson et al. 2003 podle Peterson 1980