Analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae

Biologische Rhythmen bestimmen das gesamte Leben auf der Erde. Dabei scheint der circadiane Rhythmus der bekannteste zu sein, welcher durch eine Periodendauer von etwa (lat. circa) 24 Stunden gekennzeichnet ist. Dieser seit Jahrmillionen täglich stattfindende Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte zur Entwicklung von inneren Uhren in nahezu allen Organismen, welche die Physiologie und das Verhalten steuern. In der Schabe Rhyparobia (Leucophaea) maderae, einem etablierten Modellorganismus der circadianen Rhythmusforschung, konnte die innere Uhr auf die akzessorischen Medulla (AMe) eingegrenzt werden. Da neben klassischen Neurotransmittern auch Neuropeptide unablässig für die Aufrechterhaltung des endogenen Rhythmus oder aber für Synchronisationsprozesse sind, bestand der Hauptfokus der Arbeit in der Analyse einer möglichen Beteiligung des myoinhibitorischen Neuropeptids (MIP) am circadianen System von R. maderae. Mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie konnten fünf Rhyparobia-MIPs in Präparationen der AMe identifiziert und zwei vollständig sequenziert werden. Immunzytochemische Analysen zeigten neben einer weiten MIP-Immunreaktivität im Gehirn eine dichte Innervierung der AMe und mit ihr assoziierten Neuronengruppen. Kolokalisation von MIP- und Pigment-dispersing Faktor-Immunreaktivitäten wurden in mindestens zwei circadianen Schrittmacherzellen beobachtet. Immunreaktivitäten in diversen Kommissuren lassen den Schluss zu, dass Rhyparobia-MIPs als Kopplungsfaktoren beider akzessorischen Medullae agieren. Immunzytochemische Kolokalisationsexperimente mit anderen neuroaktiven Kandidaten für den Lichteingangsweg zeigen, dass Rhyparobia-MIPs auch an der Übermittlung photischer Eingänge in die AMe vom ipsi- und kontralateralen Komplexauge beteiligt sein könnten. Darüber hinaus konnte durch Injektionsexperimente kombiniert mit Verhaltensassays gezeigt werden, dass mindestens Rhyparobia-MIP-1 und -2 Eingangssignale in die AMe sind. Des Weiteren konnte mittels enzyme-linked immunosorbent Assays gezeigt werden, dass MIP in der AMe und dem optischen Lobus mindestens über G-Protein gekoppelte Rezeptoren agiert. Diese Rezeptoren scheinen zudem tageszeitabhängig unterschiedlich exprimiert oder aber unterschiedlich sensitiv zu sein.

A molecular and cellular analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae

Circadiane Schrittmacher koordinieren die täglichen Rhythmen in Physiologie und Verhalten in lebenden Organismen. Die Madeira Schabe Rhyparobia maderae (Synonym: Leucophaea maderae) ist ein gut etabliertes Modell, um die neuronalen Mechanismen der circadianen Rhythmen bei Insekten zu studieren. Die akzessorische Medulla (AME) in den optischen Loben des Gehirns wurde als das circadiane Schrittmacherzentrum der Madeira Schabe identifiziert, das circadiane Rhythmen in der Laufaktivität steuert. Über die Neurotransmitter der Eingangswege in das circadiane System der Madeira Schabe ist noch nicht viel bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, mögliche Eingangssignale in die innere Uhr der Madeira Schabe zu bestimmen. An primären Zellkulturen von AME-Neuronen wurden Calcium-Imaging Experimente durchgeführt, um die Neurotransmitter-abhängigen Veränderungen in der intrazellulären Calcium-Konzentration zu messen. Darüber hinaus wurde die Signalkaskade des Neuropeptids Pigment Dispersing Factor (PDF), dem wichtigsten Kopplungsfaktor in circadianen Schrittmachern von Insekten, in Calcium-Imaging und Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Experimenten untersucht. Acetylcholin (ACh) erhöht die intrazelluläre Calcium-Konzentration in der Mehrzahl der circadianen Schrittmacherneurone der Madeiraschabe. Applikation von GABA, Serotonin und Octopamin erhöhten oder reduzierten die intrazelluläre Calcium-Konzentration in den AME-Neuronen, während Histamin und Glutamat die intrazelluläre Calcium-Konzentration ausschließlich reduzierten. Pharmakologische Experimente zeigten, dass die AME-Neurone ACh über ionotrope nikotinische ACh-Rezeptoren detektierten, während GABA über ionotrope GABAA-Rezeptoren und metabotrope GABAB-Rezeptoren detektiert wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die circadiane Aktivität der Schabe durch verschiedene Eingänge, einschließlich ACh, GABA, Glutamat, Histamin, Octopamin und Serotonin, moduliert wird. Bei den FRET Studien wurde ein Proteinkinase A (PKA)-basierter FRET Sensor zur Detektion von cyclischem AMP (cAMP) verwendet. Es wurde gezeigt, dass PDF über Adenylylcyclase-abhängige und -unabhängige Signalwege wirken kann. Zusätzlich wurden Laufrad-Assays durchgeführt, um Phasenverschiebungen im Rhythmus der circadianen Laufaktivität zu detektieren, nachdem der Neurotransmitter Histamin zu verschiedenen circadianen Zeiten injiziert wurde. Histamin-Injektionen durch die Komplexaugen der Schabe ergaben eine biphasische Phasenantwortkurve (phase response curve) mit Phasenverzögerungen in der Laufaktivität am späten subjektiven Tag und am Beginn der subjektiven Nacht und Phasenbeschleunigungen in der späten subjektiven Nacht. Schließlich wurde eine extrazelluläre Ableittechnik an lebenden Schaben etabliert, die gleichzeitige Langzeit-Ableitungen von der AME, des Komplexauges (Elektroretinogramm = ERG), und der Beinmuskulatur (Elektromyogramm = EMG) für mehrere Tage ermöglichte. Diese Methode bietet einen Ausgangspunkt für weitere elektrophysiologische Untersuchungen des circadianen Systems der Schabe, in denen Substanzen (z.B. Neurotransmitter und Neuropeptide) analysiert werden können, die einen Einfluss auf den circadianen Rhythmus in der Laufaktivität haben

The function of SIFamide, PDF, and further neuropeptides in the circadian system of Rhyparobia maderae

Der täglich Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte während der Evolution zur Entwicklung innerer Uhren in nahezu allen Organismen. In der Schabe Rhyparobia maderae lokalisierten Läsions- und Transplantationsexperimente die innere Uhr in der akzessorischen Medulla (AME). Dieses kleine birnenförmige Neuropil am ventromedianen Rand der Medulla ist mit etwa 240 Neuronen assoziiert, die eine hohe Anzahl an zum Teil kolokalisierten Neuropeptiden und Neurotransmittern exprimieren. Diese Signalstoffe scheinen essentiell zu sein für die Synchronisation der inneren Uhr mit der Umwelt, der Kopplung der beiden bilateralen AME, der Aufrechterhaltung des circadianen Rhythmus sowie der zeitlichen Steuerung bestimmter Verhaltensweisen. Während die Funktion einiger dieser neuronalen Botenstoffe bereits gut untersucht ist, fehlt sie für andere. Zudem ist noch ungeklärt, wann einzelne Botenstoffe im circadianen Netzwerk agieren. Im Fokus dieser Studie lag daher die Erforschung der Funktion von SIFamide und Corazonin im circadianen Netzwerk sowie die weitere Untersuchung der Funktionen der Neuropeptide MIP und PDF. Es konnte gezeigt werden, dass SIFamide auch in R. maderae in vier großen neurosekretorischen Zellen in der pars intercerebralis exprimiert wird. Varikosenreiche SIFamide-immureaktive (-ir) Fasern innervieren eine Vielzahl an Neuropilen und finden sich auch in der Hüllregion der AME. Injektionsexperimente resultierten in einer monophasischen Phasen-Antwort-Kurve (PRC) mit einer Verzögerung zur frühen subjektiven Nacht. SIFamide ist also ein Eingangssignal für das circadiane Netzwerk und könnte in der Kontrolle der Schalf/Wach-Homöostase involviert sein. Auch Corazonin fungiert als Eingangssignal. Da die Injektionsexperimente in einer monophasischen PRC mit einem Phasenvorschub zur späten subjektiven Nacht resultierten, ist davon auszugehen, dass die Corazonin-ir AME-Zelle Bestandteil des Morning-Oszillator-Netzwerkes in R. maderae ist. Darüber hinaus zeigten Backfill-Experimente, dass MIP an der Kopplung beider AMAE beteiligt ist. ELISA-Quantifizierungen der PDF-Level im Tagesverlauf ergaben Schwankungen in der Konzentration, die auf eine Ausschüttung des Peptids während des Tages hindeuten – ähnlich wie es in Drosophila melanogaster der Fall ist. Dies spiegelt sich in der vervollständigten bimodalen PDF-PRC wieder. Hier führen Injektionen zu einem Phasenvorschub, bevor maximale Peptidlevel erreicht werden, sowie zu einer Phasenverzögerung, sobald die Peptidlevel wieder zu sinken beginnen. Die PRCs erlauben somit Rückschlüsse auf den Zeitpunkt der maximalen Peptidfreisetzung. PDF-ir Neuriten findet sich zudem in sämtlichen Ganglien des ventralen Strickleiternervensystems, was eine Funktion in der Kontrolle der Prozesse impliziert, die durch die Mustergeneratoren in Thorakal- und Abdominalganglien gesteuert werden.

Modeling Two-Oscillator Circadian Systems Entrained by Two Environmental Cycles

Several experimental studies have altered the phase relationship between photic and non-photic environmental, 24 h cycles (zeitgebers) in order to assess their role in the synchronization of circadian rhythms. To assist in the interpretation of the complex activity patterns that emerge from these ""conflicting zeitgeber'' protocols, we present computer simulations of coupled circadian oscillators forced by two independent zeitgebers. This circadian system configuration was first employed by Pittendrigh and Bruce (1959), to model their studies of the light and temperature entrainment of the eclosion oscillator in Drosophila. Whereas most of the recent experiments have restricted conflicting zeitgeber experiments to two experimental conditions, by comparing circadian oscillator phases under two distinct phase relationships between zeitgebers (usually 0 and 12 h), Pittendrigh and Bruce compared eclosion phase under 12 distinct phase relationships, spanning the 24 h interval. Our simulations using non-linear differential equations replicated complex non-linear phenomena, such as ""phase jumps'' and sudden switches in zeitgeber preferences, which had previously been difficult to interpret. Our simulations reveal that these phenomena generally arise when inter-oscillator coupling is high in relation to the zeitgeber strength. Manipulations in the structural symmetry of the model indicated that these results can be expected to apply to a wide range of system configurations. Finally, our studies recommend the use of the complete protocol employed by Pittendrigh and Bruce, because different system configurations can generate similar results when a ""conflicting zeitgeber experiment'' incorporates only two phase relationships between zeitgebers.

Evolution of circadian organization in vertebrates

Circadian organization means the way in which the entire circadian system above the cellular level is put together physically and the principles and rules that determine the interactions among its component parts which produce overt rhythms of physiology and behavior. Understanding this organization and its evolution is of practical importance as well as of basic interest. The first major problem that we face is the difficulty of making sense of the apparently great diversity that we observe in circadian organization of diverse vertebrates. Some of this diversity falls neatly into place along phylogenetic lines leading to firm generalizations: i) in all vertebrates there is a "circadian axis" consisting of the retinas, the pineal gland and the suprachiasmatic nucleus (SCN), ii) in many non-mammalian vertebrates of all classes (but not in any mammals) the pineal gland is both a photoreceptor and a circadian oscillator, and iii) in all non-mammalian vertebrates (but not in any mammals) there are extraretinal (and extrapineal) circadian photoreceptors. An interesting explanation of some of these facts, especially the differences between mammals and other vertebrates, can be constructed on the assumption that early in their evolution mammals passed through a "nocturnal bottleneck". On the other hand, a good deal of the diversity among the circadian systems of vertebrates does not fall neatly into place along phylogenetic lines. In the present review we will consider how we might better understand such "phylogenetically incoherent" diversity and what sorts of new information may help to further our understanding of the evolution of circadian organization in vertebrates

Evolutionary History of the PER3 Variable Number of Tandem Repeats (VNTR): Idiosyncratic Aspect of Primate Molecular Circadian Clock

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Genetic Algorithms for Parameter Estimation in Circadian Model

This paper proposes an algorithm to estimate two parameter values vs, transcription of frq gene, and vd, maximum rate of FRQ protein degradation for an existing 3rd order Neurospora model in literature. Details of the algorithm with simulation results are shown in this paper.

Circadian rhythms, sleep and autonomic function in progressive supranuclear palsy: characteristic features and reciprocal interactions

Background: Progressive supranuclear palsy (PSP) is a rare neurodegenerative condition. The aims of this study were to evaluate the association between sleep, the circadian system and autonomic function in a cohort of PSP patients. Methods: Patients with PSP diagnosed according to consensus criteria were recruited prospectively and retrospectively and performed the following tests: body core temperature (BcT), sleep-wake cycle, systolic and diastolic blood pressure (SBP, DBP) continuous monitoring for 48 h under controlled environmental conditions; cardiovascular reflex tests (CRTs). The analysis of circadian rhythmicity was performed with the single cosinor method. For state-dependent analysis, the mean value of variables in each sleep stage was calculated as well as the difference to the value in wake. Results: PSP patients presented a reduced total duration of night sleep, with frequent and prolonged awakenings. During daytime, patients had very short naps, suggesting a state of profound sleep deprivation across the 24-h. REM sleep behaviour disorder was found in 15%, restless legs syndrome in 46%, periodic limb movements in 52% and obstructive sleep apnea in 54%. BcT presented the expected fall during night-time, however, compared to controls, mean values during day and night were higher. However BcT state-dependent modulation was maintained. Increased BcT could be attributed to an inability to properly reduce sympathetic activity favoured by the sleep deprivation. At CRTs, PSP presented mild cardiovascular adrenergic impairment and preserved cardiovagal function. 14% had non-neurogenic orthostatic hypotension. Only 2 PSP presented the expected BP dipping pattern, possibly as a consequence of sleep disruption. State-dependent analysis showed a partial loss of the state-dependent modulation for SBP. Discussion: This study showed that PSP presented abnormalities of sleep, circadian rhythms and cardiovascular autonomic function that are likely to be closely linked one to another.

Quantitative genetics of sleep in inbred mice.

The timing and the organization of sleep architecture are mainly controlled by the circadian system, while sleep need and intensity are regulated by a homeostatic process. How independent these two systems are in regulating sleep is not well understood. In contrast to the impressive progress in the molecular genetics of circadian rhythms, little is known about the molecular basis of sleep. Nevertheless, as summarized here, phenotypic dissection of sleep into its most basic aspects can be used to identify both the single major genes and small effect quantitative trait loci involved. Although experimental models such as the mouse are more readily amenable to genetic analysis of sleep, similar approaches can be applied to humans.

Molecular analysis of sleep.

Rest or sleep in all animal species constitutes a period of quiescence necessary for recovery from activity. Whether rest and activity observed in all organisms share a similar fundamental molecular basis with sleep and wakefulness in mammals has not yet been established. In addition and in contrast to the circadian system, strong evidence that sleep is regulated at the transcriptional level is lacking. Nevertheless, several studies indicate that single genesmay regulate some specific aspects of sleep. Efforts to better understand or confirm the role of known neurotransmission pathways in sleep-wake regulation using transgenic approaches resulted so far in only limited new insights. Recent gene expression profiling efforts in rats, mice, and fruit flies are promising and suggest that only a few gene categories are differentially regulated by behavioral state. How molecular analysis can help us to understand sleep is the focus of this chapter.

cGMP-dependent protein kinase type I is implicated in the regulation of the timing and quality of sleep and wakefulness.

Many effects of nitric oxide (NO) are mediated by the activation of guanylyl cyclases and subsequent production of the second messenger cyclic guanosine-3',5'-monophosphate (cGMP). cGMP activates cGMP-dependent protein kinases (PRKGs), which can therefore be considered downstream effectors of NO signaling. Since NO is thought to be involved in the regulation of both sleep and circadian rhythms, we analyzed these two processes in mice deficient for cGMP-dependent protein kinase type I (PRKG1) in the brain. Prkg1 mutant mice showed a strikingly altered distribution of sleep and wakefulness over the 24 hours of a day as well as reductions in rapid-eye-movement sleep (REMS) duration and in non-REM sleep (NREMS) consolidation, and their ability to sustain waking episodes was compromised. Furthermore, they displayed a drastic decrease in electroencephalogram (EEG) power in the delta frequency range (1-4 Hz) under baseline conditions, which could be normalized after sleep deprivation. In line with the re-distribution of sleep and wakefulness, the analysis of wheel-running and drinking activity revealed more rest bouts during the activity phase and a higher percentage of daytime activity in mutant animals. No changes were observed in internal period length and phase-shifting properties of the circadian clock while chi-squared periodogram amplitude was significantly reduced, hinting at a less robust oscillator. These results indicate that PRKG1 might be involved in the stabilization and output strength of the circadian oscillator in mice. Moreover, PRKG1 deficiency results in an aberrant pattern, and consequently a reduced quality, of sleep and wakefulness, possibly due to a decreased wake-promoting output of the circadian system impinging upon sleep.

Do Caucasian and Asian clocks tick differently?

The Period 3 and Clock genes are important components of the mammalian molecular circadian system. Studies have shown association between polymorphisms in these clock genes and circadian phenotypes in different populations. Nevertheless, differences in the pattern of allele frequency and genotyping distribution are systematically observed in studies with different ethnic groups. To investigate and compare the pattern of distribution in a sample of Asian and Caucasian populations living in Brazil, we evaluated two well-studied polymorphisms in the clock genes: a variable number of tandem repeats (VNTR) in PER3 and a single nucleotide polymorphism (SNP) in CLOCK. The aim of this investigation was to search for clues about human evolutionary processes related to circadian rhythms. We selected 109 Asian and 135 Caucasian descendants. The frequencies of the shorter allele (4 repeats) in the PER3 gene and the T allele in the CLOCK gene among Asians (0.86 and 0.84, respectively) were significantly higher than among Caucasians (0.69 and 0.71, respectively). Our results directly confirmed the different distribution of these polymorphisms between the Asian and Caucasian ethnic groups. Given the genetic differences found between groups, two points became evident: first, ethnic variations may have implications for the interpretation of results in circadian rhythm association studies, and second, the question may be raised about which evolutionary conditions shaped these genetic clock variations.

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Characterization of the molecular clockwork in the cockroach Rhyparobia maderae

Der Wechsel von Tag und Nacht erzeugt einen regelmäßigen Rhythmus von verschiedenen Umweltreizen, allen voran Licht und Temperatur. Fast jedes bis zum heutigen Tage untersuchte Lebewesen besitzt einen endogenen Mechanismus zur Zeitwahrnehmung, und diese "innere Uhr" befähigt Lebewesen dazu, sich vorausschauend an rhythmische Umwelt-Änderungen anzupassen. Circadiane Rhythmen bestehen auch ohne jegliche äußere Reize und basieren auf einem molekularen Rückkopplungs-Mechanismus, der Rhythmen in Genexpression und Proteinkonzentration von etwa 24 Stunden erzeugt. Obwohl sich die grundsätzlichen Mechanismen und Komponenten dieses molekularen Uhrwerks in allen Insekten ähneln, zeigte sich jedoch immer mehr, dass es im Detail doch wesentliche Unterschiede zwischen verschiedenen Insektengruppen gibt. Während das molekulare Uhrwerk der Fruchtfliege Drosophila melanogaster inzwischen sehr gut untersucht ist, fehlen bei den meisten Insektengruppen immernoch eingehende Untersuchungen. Fast nichts ist über die molekulare Basis von circadianen Rhythmen bei der Schabe Rhyparobia maderae bekannt, obwohl diese Art bereits seit Langem als Modellorganismus in der Chronobiologie dient. Um mit der Forschung am molekularen, circadianen System von R. maderae zu beginnen, wurde die Struktur und das Expressionsprofil der core feedback loop Gene per, tim1 und cry2 analysiert. Mittels degenerierten Primern und RACE konnte das vollständige offene Leseraster (OLR) von rmPer und rmCry2, und ein Teil des rmTim1 OLR kloniert werden. Eine phylogenetische Analyse gruppierte rmPER und rmCRY2 gemeinsam mit den Orthologa hemimetaboler Insekten. Viele bei D. melanogaster funktionell charakterisierte Domänen sind bei diesen Proteinen konserviert, was auf eine ähnliche Funktion in der inneren Uhr von R. maderae hinweist. Mittels quantitativer PCR konnte gezeigt werden, dass die mRNA von rmPer, rmTim1 und rmCry2 in verschiedenen Lichtregimen in der gleichen Phasenlage Tageszeit-abhängig schwankt. Die Phasenlage stellte sich bei unterschiedlichen Photoperioden jeweils relativ zum Beginn der Skotophase ein, mit Maxima in der ersten Hälfte der Nacht. Auch im Dauerdunkel zeigen sich Rhythmen in der rmTim1 und rmCry2 Expression. Die Amplitude der rmPer Expressionsrhythmen war jedoch so gering, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Zeitgeberzeiten (ZT) festgestellt werden konnten. Mittels Laufrad-Assays wurde untersucht wie Kurz- und Langtag Lichtregime die Verhaltensrhythmen beeinflussen. Es konnten nur Unterschiede in der Periodenlänge unter freilaufenden Bedingungen festgestellt werden, wenn höhere Lichtintensitäten (1000lx) zur Synchronisation (entrainment) genutzt wurden. Die Periode des freilaufenden Rhythmus war bei Tieren aus dem Kurztag länger. Die photoperiodische Plastizität zeigte sich also auch auf Verhaltensebene, obwohl höhere Lichtintensitäten notwendig waren um einen Effekt zu beobachten. Basierend auf den Sequenzen der zuvor klonierten OLR wurden gegen rmPER, rmTIM1 und rmCRY2 gerichtete Antikörper hergestellt. Die Antikörper gegen rmPER und rmTIM1 erkannten in western blots sehr wahrscheinlich spezifisch das jeweilige Protein. Zeitreihen von Gehirngewebe-Homogenisaten zeigten keinen offensichtlichen circadianen Rhythmus in der Proteinkonzentration, wahrscheinlich auf Grund einer Oszillation mit niedriger Amplitude. In Immunhistochemischen Färbungen konnte nur mit dem gegen rmPER gerichteten Antikörper aus Kaninchen ein Signal beobachtet werden. Beinahe jede Zelle des Zentralnervensystems war rmPER-immunreaktiv im Zellkern. Es konnten keine Unterschiede zwischen den untersuchten ZTs festgestellt werden, ähnlich wie bei den western blot Zeitreihen. In dieser Studie konnten erstmals molekulare Daten der circadianen Uhr von R. maderae erfasst und dargestellt werden. Die Uhrgene per, tim1 und cry2 werden in dieser Schabenart exprimiert und ihre Domänenstruktur sowie das circadiane Expressionsmuster ähneln dem hypothetischen ursprünglichen Insektenuhrwerk, welches der circadianen Uhr von Vertebraten nahesteht. Das molekulare Uhrwerk von R. maderae kann sich an unterschiedliche Photoperioden anpassen, und diese Anpassungen manifestieren sich im Expressionsprofil der untersuchten Uhrgene ebenso wie im Verhalten.

Clock Genes, Melanopsins, Melatonin, and Dopamine Key Enzymes and Their Modulation by Light and Glutamate in Chicken Embryonic Retinal Cells

The avian circadian system is composed of the retina, the mammalian homolog region of the suprachiasmatic nucleus (SNC), and the pineal gland. The retina, itself, displays many rhythmic physiological events, such as movements of photoreceptor cells, opsin expression, retinal reisomerization, and melatonin and dopamine production and secretion. Altogether, these rhythmic events are coordinated to predict environmental changes in light conditions during the day, optimizing retina function. The authors investigated the expression pattern of the melanopsin genes Opn4x and Opn4m, the clock genes Clock and Per2, and the genes for the key enzymes N-Acetyltransferase and Tyrosine Hidroxylase in chicken embryo dispersed retinal cells. Primary cultures of chicken retina from 8-day-old embryos were kept in constant dark (DD), in 12-h light/12-h dark (12L:12D), in 12L:12D followed by DD, or in DD in the absence or presence of 100 mu M glutamate for 12 h. Total RNA was extracted throughout a 24-h span, every 3 h starting at zeitgeber time 0 (ZT0) of the 6th day, and submitted to reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) followed by quantitative PCR (qPCR) for mRNA quantification. The data showed no rhythmic pattern of transcription for any gene in cells kept in DD. However under a light-dark cycle, Clock, Per2, Opn4m, N-Acetyltransferase, and Tyrosine Hydroxylase exhibited rhythmic patterns of transcription. In DD, 100 mu M glutamate was able to induce rhythmic expression of Clock, strongly inhibited the expression of Tyrosine Hydroxylase, and, only at some ZTs, of Opn4x and Opn4m. The neurotransmitter had no effect on Per2 and N-Acetyltransferase transcription. The authors confirmed the expression of the protein OPN4x by immunocytochemistry. These results suggest that chicken embryonic retinal cells contain a functional circadian clock, whose synchronization requires light-dark cycle or glutamate stimuli. (Author correspondence: amdlcast@ib.usp.br).