Saisonale Regulation in der biologischen Uhr des Bohnenwanzengehirns

Der Körper des Organismus hat nicht nur eine biologische Uhr, die die Tageszeit anzeigen kann, sondern auch die Jahreszeit. Forscher aus Japan haben herausgefunden, dass ein leistungsfähiges kleines Molekül hinter dem Mechanismus stecken könnte, mit dem die biologische Uhr die Jahreszeiten verfolgt.

In einer Studie, die kürzlich in veröffentlicht wurde PLOS-Biologiezeigen Forscher der Universität Osaka, dass die Glutamat-Signalübertragung für die saisonale Regulierung der Fortpflanzung bei Bohnenwanzen durch Gene verantwortlich ist, die an der Aufrechterhaltung des circadianen Rhythmus beteiligt sind.

Der zirkadiane Rhythmus wird von einer biologischen Uhr gesteuert, die Körperprozesse tageszeitabhängig steuert. Ein verwandter Prozess ist die Photoperiodensensitivität oder saisonale Regulierung, bei der Körperprozesse auf saisonaler Basis basierend auf der Länge der Tages- und Nachtperioden reguliert werden.

„Frühere Studien haben gezeigt, dass Gene der zirkadianen Uhr nicht nur an der Regulierung täglicher Prozesse beteiligt sind, sondern auch an der Regulierung saisonaler Ereignisse, wie etwa der Fortpflanzung bei Insekten“, sagt Masaharu Hasebe, Erstautor der Studie. „Der Mechanismus, der diese Wechselwirkung regelt, war jedoch unklar.“

Um dies anzugehen, konzentrierten sich die Forscher auf Glutamat, einen Neurotransmitter, der an der Übertragung einer Vielzahl von Signalen im Gehirn vieler Tiere, von Wirbellosen bis zu Säugetieren, beteiligt ist. Unter Verwendung von Bohnenwanzen, einem bequemen Modell für mit der circadianen Uhr zusammenhängende saisonale Rhythmen, wurde der Glutamatspiegel im Gehirn unter verschiedenen photoperiodischen Bedingungen im Zusammenhang mit dem saisonalen Fortpflanzungszyklus und als Reaktion auf eine Störung der Gene der circadianen Uhr bewertet.

„Die Ergebnisse waren sehr eindeutig“, erklärt Sakiko Shiga, Seniorautorin der Studie. „Die extrazellulären Glutamatspiegel im gesamten Gehirn waren unter Kurztagbedingungen signifikant höher als unter Langtagbedingungen, und das Herunterfahren der Zeit des Uhrengens beseitigte diesen Unterschied.“

Die direkte Reduzierung oder Erhöhung des Glutamatspiegels im Gehirn der Bohnenwanze verringerte auch saisonspezifische Veränderungen des Fortpflanzungsstatus. Darüber hinaus störte die Verringerung oder Erhöhung des Glutamatspiegels die photoperiodischen Reaktionen von Pars-intercerebralis-Neuronen, die ihre neuronale Aktivität typischerweise saisonal ändern und die Eiablage fördern.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die extrazelluläre Glutamatdynamik durch Uhrengene reguliert wird und eine wesentliche Rolle bei der photoperiodischen Steuerung der Fortpflanzung spielt“, sagt Hasebe.

Angesichts der Tatsache, dass Glutamat weit verbreitet für die Neurotransmission bei Tieren, von Insekten bis zu Säugetieren, verwendet wird, haben die Ergebnisse dieser Studie Auswirkungen über die Biologie der Bohnenwanze hinaus. Es ist möglich, dass weitere Studien, die diese neu entdeckte mechanistische Verbindung zwischen der circadianen Uhr und der Regulierung der Photoperiode untersuchen, unser Verständnis der saisonalen Anpassung bei einer Vielzahl von Tieren erweitern werden.

Der Artikel „Clock-Gene-dependent Glutamat Dynamics in the Bean Bug Brain Regulator Photoperiodic Reproduktion“ wurde in veröffentlicht PLOS-Biologie.