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.

Analysis of second messengers in peripheral and central circadian pacemakers

In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass die sekundären Botenstoffe cAMP, cGMP und IP3 in der olfaktorischen Signaltransduktionskaskade bei Manduca sexta involviert sind. Während cGMP Perfusionen in die Antenne die Pheromonwahrnehmung tageszeitabhängig adaptierten, führten cAMP Perfusionen zu einer tageszeitabhängigen Sensitisierung, ähnlicher der von Octopamin (OA). Daher wurde hypothetisiert, dass eine tageszeitabhängige Oszillation antennaler OA Level sowie der intrazelluläre Kalziumkonzentration in einer Schwankung von sekundären Botenstoffen resultieren könnte. Diese Hypothese wurde mittels biochemischen Nachweißverfahren in der Antenne von M. sexta und Rhyparobia maderae überprüft. Tatsächlich konnten in der Antenne des Tabakschwärmers tageszeitabhängige Unterschiede in der OA-, cAMP- und IP3-, aber nicht in der cGMP Konzentration, nachgewiesen werden. Während die cAMP- und OA Oszillationen einander sehr ähnelten und die Maxima in der Paarungsphase aufzeigten, korrelierte der IP3 Verlauf sehr stark mit dem Flug- bzw. Fressverhalten. Diese Korrelationen konnten auch in der Madeira Schabe beobachtet werden, in der darüber hinaus gezeigt werden konnte, dass antennale cAMP- und IP3 Level von dem circadianen Uhrwerk gesteuert werden. Zudem wurde herausgefunden, dass OA die cAMP- und teilweise auch die IP3- Spiegel reguliert. Demgegenüber beeinflusste Kalzium die Konzentration aller untersuchten sekundären Botenstoffe. Daher wird angenommen, dass die intrazelluläre Kalziumkonzentration aber auch der antennale OA Level kritische Faktoren bei der Regelung der olfaktorischen Sensitivität sind. Da Oszillationen von sekundären Botenstoffen in mutmaßlichen, peripheren Schrittmacher nachgewiesen wurden, wurde untersucht, ob sie auch im circadianen Schrittmacher der Madeira Schabe oszillieren und ob das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), ein entscheidender Kopplungsfaktor des Uhrwerks in Insekten, diese Rhythmen generieren könnte. Es konnte gezeigt werden, dass PDF die cAMP Synthese steigert. Darüber hinaus wurden bimodale cAMP Oszillationen unter licht-dunkel Bedingungen beobachtet, welche unter konstanten Umweltbedingungen verblieben. Daher wird angenommen, dass PDF Freisetzung zelluläres cAMP erhöht über das das circadiane Uhrwerk synchronisiert wird.

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.

Molecular basis of circadian behaviour Lecture

For BIOL2040. Originally in Blackboard and uploaded to Edshare for linking in Efolio site.

Medical Students Circadian Sleep Rhythms and Academic Performance

Objective: to evaluate, with a preliminary study, the distribution of circadian rhythms, sleep schedule patterns and their relationship with academic performance on medical students. Methodology: in this descriptive study, a 10 item original questionnaire about sleep rhythms and academic performance was applied to medical students from different semesters. Week (class time) and weekend schedules, preferences, daytime somnolence and academic performance were asked. Three chronotypes (morningness, intermediate and eveningness) were defined among waking-sleeping preference, difficulty to sleep early, exam preparation preference hour and real sleep schedule. The sleep hour deficit per week night was also calculated. Results: Of the 318 medical students that answered the questionnaire, 62.6% corresponded to intermediate chronotypes, 8.8% to evening-type and 28.7% to morning-type. Significant difference was found among the two chronotype tails (p=0.000, Chi-square 31.13). No correlation was found between academic performance and age, sex, chronotype, week sleep deficit and sleep hours in week and weekends. A 71.1% of the students slept 6 or fewer hours during class time and 78% had a sleep deficit (more frequent in the evening chronotype). Conclusions: No relation was found between sleep chronotype and academic performance. Students tend to morningness. Few studies have been made on equatorial zones or without seasons

The timing of eukaryotic evolution: Does a relaxed molecular clock reconcile proteins and fossils?

The use of nucleotide and amino acid sequences allows improved understanding of the timing of evolutionary events of life on earth. Molecular estimates of divergence times are, however, controversial and are generally much more ancient than suggested by the fossil record. The limited number of genes and species explored and pervasive variations in evolutionary rates are the most likely sources of such discrepancies. Here we compared concatenated amino acid sequences of 129 proteins from 36 eukaryotes to determine the divergence times of several major clades, including animals, fungi, plants, and various protists. Due to significant variations in their evolutionary rates, and to handle the uncertainty of the fossil record, we used a Bayesian relaxed molecular clock simultaneously calibrated by six paleontological constraints. We show that, according to 95% credibility intervals, the eukaryotic kingdoms diversified 950-1,259 million years ago (Mya), animals diverged from choanoflagellates 761-957 Mya, and the debated age of the split between protostomes and deuterostomes occurred 642-761 Mya. The divergence times appeared to be robust with respect to prior assumptions and paleontological calibrations. Interestingly, these relaxed clock time estimates are much more recent than those obtained under the assumption of a global molecular clock, yet bilaterian diversification appears to be approximate to100 million years more ancient than the Cambrian boundary.

Characterisation of an amphioxus Fringe gene and the evolution of the vertebrate segmentation clock

In mouse and chick embryos, cyclic expression of lunatic fringe has an important role in the regulation of mesoderm segmentation. We have isolated a Fringe gene from the protochordate amphioxus. Amphioxus is the closest living relative of the vertebrates, and has mesoderm that is definitively segmented in a manner that is similar to, and probably homologous with, that of vertebrates. AmphiFringe is placed basal to vertebrate Fringe genes in molecular phylogenetic analyses, indicating that the duplications that formed radical-, manic- and lunatic fringe are specific to the vertebrate lineage. AmphiFringe expression was detected in the anterior neural plate of early neurulae, where it resolved into a series of segmental patches by the mid-neurulae stage. No AmphiFringe transcripts were detected in the mesoderm. Based on these observations, we propose a model depicting a successive recruitment of Fringe in the maintenance then regulation of segmentation during vertebrate evolution.

A low clock frequency FFT core implementation for multiband full-rate ultra-wideband (UWB) receivers

This paper discusses the design, implementation and synthesis of an FFT module that has been specifically optimized for use in the OFDM based Multiband UWB system, although the work is generally applicable to many other OFDM based receiver systems. Previous work has detailed the requirements for the receiver FFT module within the Multiband UWB ODFM based system and this paper draws on those requirements coupled with modern digital architecture principles and low power design criteria to converge on our optimized solution particularly aimed at a low-clock rate implementation. The FFT design obtained in this paper is also applicable for implementation of the transmitter IFFT module therefore only needing one FFT module in the device for half-duplex operation. The results from this paper enable the baseband designers of the 200Mbit/sec variant of Multiband UWB systems (and indeed other OFDM based receivers) using System-on-Chip (SoC), FPGA and ASIC technology to create cost effective and low power consumer electronics product solutions biased toward the very competitive market.

Increasing doxorubicin activity against breast cancer cells using PPARγ-ligands and by exploiting circadian rhythms

Doxorubicin is effective against breast cancer, but its major side effect is cardiotoxicity. The aim of this study was to determine whether the efficacy of doxorubicin on cancer cells could be increased in combination with PPARγ agonists or chrono-optimization by exploiting the diurnal cycle. We determined cell toxicity using MCF-7 cancer cells, neonatal rat cardiac myocytes and fibroblasts in this study. Doxorubicin damages the contractile filaments of cardiac myocytes and affects cardiac fibroblasts by significantly inhibiting collagen production and proliferation at the level of the cell cycle. Cyclin D1 protein levels decreased significantly following doxorubicin treatment indicative of a G1 /S arrest. PPARγ agonists with doxorubicin increased the toxicity to MCF-7 cancer cells without affecting cardiac cells. Rosiglitazone and ciglitazone both enhanced anti-cancer activity when combined with doxorubicin (e.g. 50% cell death for doxorubicin at 0.1 μM compared to 80% cell death when combined with rosiglitazone). Thus, the therapeutic dose of doxorubicin could be reduced by 20-fold through combination with the PPARγ agonists, thereby reducing adverse effects on the heart. The presence of melatonin also significantly increased doxorubicin toxicity, in cardiac fibroblasts (1 μM melatonin) but not in MCF-7 cells. Our data show, for the first time, that circadian rhythms play an important role in doxorubicin toxicity in the myocardium; doxorubicin should be administered mid-morning, when circulating levels of melatonin are low, and in combination with rosiglitazone to increase therapeutic efficacy in cancer cells while reducing the toxic effects on the heart.

Modeling the observed proton aurora and ionospheric convection responses to changes in the IMF clock angle: 2. Persistence of ionospheric convection

We apply a numerical model of time-dependent ionospheric convection to two directly driven reconnection pulses during a 15-min interval of southward IMF on 26 November 2000. The model requires an input magnetopause reconnection rate variation, which is here derived from the observed variation in the upstream IMF clock angle, q. The reconnection rate is mapped to an ionospheric merging gap, the MLT extent of which is inferred from the Doppler-shifted Lyman-a emission on newly opened field lines, as observed by the FUV instrument on the IMAGE spacecraft. The model is used to reproduce a variety of features observed during this event: SuperDARN observations of the ionospheric convection pattern and transpolar voltage; FUV observations of the growth of patches of newly opened flux; FUVand in situ observations of the location of the Open-Closed field line Boundary (OCB) and a cusp ion step. We adopt a clock angle dependence of the magnetopause reconnection electric field, mapped to the ionosphere, of the form Enosin4(q/2) and estimate the peak value, Eno, by matching observed and modeled variations of both the latitude, LOCB, of the dayside OCB (as inferred from the equatorward edge of cusp proton emissions seen by FUV) and the transpolar voltage FPC (as derived using the mapped potential technique from SuperDARN HF radar data). This analysis also yields the time constant tOCB with which the open-closed boundary relaxes back toward its equilibrium configuration. For the case studied here, we find tOCB = 9.7 ± 1.3 min, consistent with previous inferences from the observed response of ionospheric flow to southward turnings of the IMF. The analysis confirms quantitatively the concepts of ionospheric flow excitation on which the model is based and explains some otherwise anomalous features of the cusp precipitation morphology.

Modeling the observed proton aurora and ionospheric convection responses to changes in the IMF clock angle: 1. Persistence of cusp proton aurora

We employ a numerical model of cusp ion precipitation and proton aurora emission to fit variations of the peak Doppler-shifted Lyman-a intensity observed on 26 November 2000 by the SI-12 channel of the FUV instrument on the IMAGE satellite. The major features of this event appeared in response to two brief swings of the interplanetary magnetic field (IMF) toward a southward orientation. We reproduce the observed spatial distributions of this emission on newly opened field lines by combining the proton emission model with a model of the response of ionospheric convection. The simulations are based on the observed variations of the solar wind proton temperature and concentration and the interplanetary magnetic field clock angle. They also allow for the efficiency, sampling rate, integration time and spatial resolution of the FUV instrument. The good match (correlation coefficient 0.91, significant at the 98% level) between observed and modeled variations confirms the time constant (about 4 min) for the rise and decay of the proton emissions predicted by the model for southward IMF conditions. The implications for the detection of pulsed magnetopause reconnection using proton aurora are discussed for a range of interplanetary conditions.