In winzigen Krebstieren wurde ein Gen entdeckt, das zirkadiane und zirkatidale Rhythmen verbindet

Wissenschaftler der UMass Chan Medical School und des Marine Biological Laboratory in Woods Hole haben das erste Gen – Bmal1 – identifiziert, das eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des zirkatidalen Verhaltens im Krebstier Parhyale hawaiensis spielt. Zirkatidale Rhythmen helfen Tieren, den Anstieg und Abfall der Gezeiten in Küstengebieten zu bewältigen.

Veröffentlicht in Aktuelle BiologieDie Studie der Neurobiologen Patrick Emery, Ph.D., Joshua Rosenthal, Ph.D. und Kollegen zeigt die erste molekulare Verbindung zwischen zirkatidalen und zirkadianen Uhren und etabliert P. hawaiensis als leistungsstarkes neues Tiersystem zur Untersuchung der zugrunde liegenden Genetik zirkatidale Rhythmen.

„Biologische Uhren sind für Organismen – einschließlich des Menschen – von entscheidender Bedeutung, um ihre Physiologie zu optimieren und ihr Verhalten an Umweltzyklen anzupassen“, sagte Dr. Emery, stellvertretender Vorsitzender und Professor für Neurobiologie an der UMass Chan Medical School und Forscher am Marine Biological Laboratory Whitman Center. „Indem wir verstehen, wie diese Verhaltensweisen genetisch in Organismen verankert sind, können wir die sensorischen Systeme und neuronalen Schaltkreise kartieren, die sich auf Physiologie und Verhalten auswirken.“

Gezeiten treten alle 12,4 Stunden auf. Eine der beiden täglichen Gezeiten wird durch die Anziehungskraft des Mondes auf die Erde verursacht, während die zweite durch die Zentrifugalkraft entsteht, die durch den Mond und die Rotationsbewegungen der Erde im Weltraum entsteht. Meerestiere, die in Gezeitengebieten leben, haben ihr Verhalten angepasst, um mit diesen dramatischen Veränderungen von trockenen zu aquatischen Umgebungen alle 12,4 Stunden zurechtzukommen.

Obwohl zirkatidale Rhythmen erstmals im frühen 20. Jahrhundert beim Roscoff-Wurm (Symsagittifera roscoffensis) beobachtet und seit den 1950er-Jahren eingehend bei Krabben, Muscheln und anderen Meereslebewesen untersucht wurden, sind die molekularen und genetischen Grundlagen der zirkatidalen Uhr sowie ihre Beziehung zueinander sehr wichtig zur circadianen Uhr, ist bislang schwer fassbar.

„Das Fehlen eines Tiermodells, das auf genetische Ausschaltung und transgene Manipulationen angepasst werden kann, hat Wissenschaftler daran gehindert, die molekularen Ursprünge der circadianen Uhr und ihre Beziehung zu den circadianen Uhrgenen endgültig zu untersuchen“, sagte Emery. „Es gibt nur eine Handvoll Studien zur zirkadianen Genetik, und diese sind nicht in der Lage, eine Rolle der zirkadianen Uhrgene im zirkadianen Verhalten von Tieren auszuschließen oder auszuschließen.“

Erica Kwiatkowski, MD/Ph.D. Ein Student im Emery-Labor an der UMass Chan identifizierte in Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Rosenthal, leitender Wissenschaftler am Marine Biological Laboratory, das kleine Flohkrebskrebstier P. hawaiensis als vielversprechendes Modell. Um die natürliche Umgebung von P. hawaiensis zu simulieren, entwickelten die Forscher im Labor einen künstlichen Gezeitenlebensraum für das ein Zentimeter lange Tier, indem sie künstliches Meerwasser verwendeten, das alle 12,4 Stunden in ein Aquarium hinein und aus diesem heraus gepumpt wurde.

Kwiatkowski und Kollegen setzten die Amphipoden zehn Zyklen (das Äquivalent von fünf Tagen) in der künstlichen Gezeitenumgebung aus. Sobald sich P. hawaiensis an diese Bedingungen gewöhnt hatte, wurde es von den Forschern aus der künstlichen Gezeitenumgebung entfernt und in einen Lebensraum mit konstantem Wasserstand gebracht. Während sie sich in einzelnen Reagenzgläsern befanden, wurde die Schwimmaktivität der Tiere mithilfe von Infrarotstrahlen aufgezeichnet. Bemerkenswerterweise erhöhte die Mehrheit der Tiere (80 Prozent) alle 12,4 Stunden ihre Schwimmaktivität in Erwartung von Flut und verringerte dann ihre Aktivität in Erwartung von Ebbe, obwohl sie keinen wechselnden Wasserständen mehr ausgesetzt waren. Dies zeigte die Existenz einer zirkatidalen Uhr, die das Bewegungsverhalten bei P. hawaiensis steuert.

Das Labor des Direktors des Marine Biological Laboratory, Nipam Patel, Ph.D., hat P. hawaiensis als Modellorganismus für die Untersuchung von Genen entwickelt, die zahlreiche Aspekte der Embryonalentwicklung steuern, einschließlich der Strukturierung von Gliedmaßen.

„Im Laufe der Jahre hat das Patel-Labor wertvolle Ressourcen in diesem Organismus geschaffen, wie zum Beispiel ein sequenziertes Genom und Methoden zum Ausschalten von Genen mithilfe von CRISPR. Obwohl die ursprüngliche Absicht nicht darin bestand, Parhyale für die Untersuchung zirkatidaler Rhythmen zu verwenden, hat sich dies geändert „Er hat sich für diesen Zweck als hervorragend erwiesen. Wir gehen davon aus, dass dieser Organismus viele zukünftige Forschungen auf diesem Gebiet vorantreiben wird“, sagte Rosenthal.

Nachdem das starke Vorhandensein eines zirkatidalen Rhythmus bei P. hawaiensis festgestellt wurde, nutzten Kwiatkowski und Kollegen den CRISPR/Cas9-gesteuerten Gen-Knockdown, um nach Genen zu suchen, die mit dem zirkatidalen Verhalten zusammenhängen. Durch das Abschalten einzelner Gene können Wissenschaftler beobachten, welche Auswirkungen ein verlorenes Gen auf einen biologischen Prozess hat.

Anhand der Gene, die den zirkadianen Rhythmus bei Säugetieren steuern, als Leitfaden für die Suche nach zirkadianen Genen, fanden Kwiatkowski und Kollegen heraus, dass das Ausschalten des zirkadianen Gens Bmal1 das Verhalten von P. hawaiensis veränderte – das Tier zeigte kein zirkadianes Schwimmverhalten mehr. Stattdessen zeigten die Tiere arhythmisches Verhalten, das nichts mit den Gezeitenströmen zu tun hatte.

„Bmal1 ist eine entscheidende Komponente für die Aufrechterhaltung des zirkatidalen Verhaltens bei P. hawaiensis“, sagte Kwiatkowski. „Dies ist der erste Beweis dafür, dass ein Gen, das an zirkadianen Rhythmen beteiligt ist, auch an zirkadianen Rhythmen beteiligt ist. Dies stellt eine molekulare Verbindung zwischen den beiden Systemen her.“

Der nächste Schritt für Emery und Kollegen besteht darin, die genaue Rolle zu untersuchen, die Bmal1 bei der Steuerung des zirkatidalen Verhaltens spielt und welche anderen Gene möglicherweise beteiligt sind.