J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

1. J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin 3: Synchronizace cirkadiánních rytmů s denními změnami prostředí

2. relativní intenzita bioluminiscence 0 24 48 72 96 120 144 čas od začátku stálého světla [h] • cirkadiánní rytmy - grafické znázornění • nejběžnější je graf časového průběhu měřené veličiny aktivita promotoru genu pro protein CAB2 v Nicotiana tabacum - měřeno pomocí bioluminiscence rostlin s reporterovým genem pro luciferázu, který je řízen promotorem cab2 (data J. Kolář)

3. cirkadiánní rytmy - grafické znázornění • častý je také „double-plot“: data z jednotlivých dnů jsou srovnána pod sebou a zdvojena • z double-plotu se dobře vizuálně stanoví perioda, změny fáze apod. pohybová aktivita myši(Pittendrigh 1993)

4. entrainment volně běžící rytmus (free-run) entrainment volně běžící rytmus (free-run) pohybová aktivita hlodavce Peromyscus maniculatus (Pittendrigh a Minnis 1964)

5. synchronizace cirkadiánních rytmů s denní periodicitou prostředí • (připomenutí z minulé přednášky) • v přírodě je nezbytné, aby cirkadiánní rytmy měly periodu přesně 24 hodin a také patřičnou fázi ve vztahu k periodicitě vnějších faktorů (listy sklopené v noci, produkce fotosyntetických proteinů přes den apod.) • to je zajištěno procesem zvaným entrainment (nejlepší český překlad asi „synchronizace“, což ovšem není úplně přesné) • entrainment cirkadiánních rytmů je tedy nezbytný pro časování aktivit organizmu do správné denní doby - musí proto zajistit vhodný vztah fází (tzv. rozdíl fázových úhlů, angl. phase angle difference) mezi rytmicitou prostředí a cirkadiánním oscilátorem • entrainment je vždy vyvolán nějakým podnětem z prostředí, tzv. časovačem (angl. zeitgeber) • časovač je nejčastěji světlo/tma, běžně i změny teploty; u živočichů někdy také sociální stimuly, dostupnost potravy aj.

6. toto není entrainment (ale volný běh, angl. free-run) toto je entrainment toto není entrainment (ale maskování, angl. masking; vnější rytmus ovlivňuje pozorovanou vlastnost organizmu, ovšem nikoliv cirkadiánní oscilátor) Kritéria entrainmentu • Během entrainmentu působí vnější rytmus (periodicita časovače) na endogenní (cirkadiánní) rytmus. Entrainment musí splňovat tyto podmínky: • délka periody endogenního rytmu se rovná délce periody vnějšího rytmu • ustaví se stabilní rozdíl fází mezi endogenním a vnějším rytmem (např. listy jsou nejvíce sklopeny vždy 8 h po zhasnutí) • po přesunu do konstantních podmínek pokračuje endogenní rytmus s volně běžící periodou a s fází, která je určena předchozím působením vnějšího rytmu

7. Dva typy modelů pro vysvětlení experimentálně zjištěného entrainmentu • diskrétní: Časovače jsou jednorázové události (hlavně rozednění a setmění, v některých případech změny teploty aj.). Synchronizace s rytmicitou prostředí je dosaženo tím, že časovače vyvolávají změny fáze endogenního rytmu (fázové posuny, angl. phase shifts). • kontinuální: Časovače působí kontinuálně (nejčastěji světlo během celého dne, tma v noci). Synchronizace s rytmicitou prostředí je dosaženo mimo jiné tím, že časovače způsobují změny periody endogenního rytmu (je např. známo, že délka periody závisí na intenzitě osvětlení). • diskrétní modely entrainmentu jsou v současnosti nejúspěšnější - nejsou příliš složité a přitom dobře vysvětlují velké množství experimentálních dat

8. fázové posuny (phase shifts) • časovač (např. pulz světla během stálé tmy) vyvolá změnu fáze volně běžícího rytmu • velikost a směr fázového posunu závisí na fázi rytmu, v níž časovač působí

9. diskrétní entrainment • hlavní předpoklad: aplikace časovače vyvolá různé fázové posuny v různých fázích cirkadiánního rytmu • klíčovým pojmem proto křivka fázové odpovědi (phase response curve, PRC) nejčastější tvar PRC pro účinek krátkého pulzu světla během stálé tmy

10. pulz světla diskrétní entrainment postup pro získání PRC: vliv 15-min pulzu světla na rytmus pohybové aktivity myši ve stálé tmě (Benloucif a Dubocovich 1996)

11. diskrétní entrainment • průběh cirkadiánního rytmu lze modelovat na základě znalosti endogenní periody (FRP), průběhu PRC pro daný časovač a periodicity časovače modelová PRC pro vliv 15-min pulzu světla na rytmus líhnutí z kukel u Drosophila, použitá pro simulaci (z Johnson 1997)

12. 1-bodový diskrétní entrainment • pravidelné opakování časovače s určitou periodou (T), která může být i jiná než 24 h (T-cykly) • při stabilním entrainmentu působí časovač 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 bodě, kde sklon křivky je mezi 0 a -2, pak je dosaženo entrainmentu, a to s rozdílem fázových úhlů specifickým pro délku T-cyklu • mimo tyto meze entrainmentu je buď fáze nestabilní, nebo nastává frekvenční demultiplikace (perioda oscilátoru je ná-sobkem T), případně relativní koordinace relativní koordinace: pohybová aktivita zlatých křečků v T-cyklech s 15 min světla (Pittendrigh a Daan 1976) Johnson et al. 2003

14. 2-bodový diskrétní entrainment • 2 pulzy světla v každém cyklu, s pevným intervalem mezi nimi („skeletová fotoperioda“) • během jednoho cyklu jsou tedy 2 fázové posuny; jejich součet se musí rovnat FRP - T • cirkadiánní oscilátor se synchronizuje se skeletovou fotoperiodou do určité míry podobně jako s kompletním fotoperiodickým režimem: pulzy světla jsou ekvivalentní rozsvícení a zhasnutí Johnson et al. 2003

15. 10.3 - 13.7 h bistabilita • 2-bodový diskrétní entrainment („skeletové fotoperiody“) • simulace s využitím PRC velmi dobře předpovídá pozorované jevy (rozdíl fázových úhlů cirkadiánního rytmu vzhledem ke světelným pulzům, fázový skok, bistabilita) Pittendrigh a Minnis 1964

16. Co diskrétní model entrainmentu nevysvětluje? • entrainment při kompletní fotoperiodě: • rozsvícení a zhasnutí nejsou vždy ekviva-lentní krátkým pulzům světla (při dlouhých fotoperiodách nedochází k fázovému skoku) • možná zde působí kontinuální entrainment? Pittendrigh a Minnis 1964

17. Co diskrétní model entrainmentu nevysvětluje? • nevysvětluje zásadní vlastnosti PRC: • proč mají PRC svůj typický průběh? • proč existují dva hlavní typy PRC? • proč se často při zvyšování síly časovače mění PRC typu 1 skokově na typ 0? Johnson 1999

18. Co diskrétní model entrainmentu nevysvětluje? • singularitu: • časovač určité síly a působící ve specifické fázi nevyvolá posun fáze, ale arytmicitu singularita v rytmu otevírání květů Kalanchoe blossfeldiana (z Engelmann 2004)

19. Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus • cirkadiánní oscilátor lze modelovat pomocí soustavy diferenciálních rovnic • koncepce limitních cyklů předpokládá, že hladiny některých komponent oscilátoru se cyklicky mění - tyto složky nazýváme stavové proměnné (state variables) • u reálných cirkadiánních oscilátorů odpovídají stavovým proměnným patrně hladiny proteinů • vztahy mezi stavovými proměnnými lze znázornit buď časovým průběhem, nebo v takzvaném fázovém prostoru časový průběh „fázový prostor“ (phase space)

20. 0 perturbace (pulz světla) izochrona CT 4 limitní cyklus 18 6 singularita návrat na limitnícyklus (výsledek perturbace v CT 0 je tedy posun fáze o +4 h CT) 12 • Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus • vlastnosti modelů založených na limitním cyklu: • limitní cyklus je stabilní trajektorie, po které oscilují stavové proměnné • při vychýlení (perturbaci) se hodnoty stavových proměnných postupně vracejí na limitní cyklus • izochrony: křivky ve fázovém prostoru spojující body, z nichž se stavové proměnné vrátí na limitní cyklus ve stejné fázi (názorněji - křivky spojující body se stejným „cirkadiánním časem“) stavová proměnná y stavová proměnná x

21. Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního cyklu • vysvětluje jevy neobjasnitelné koncepcí diskrétního entrainmentu: • typický průběh PRC Johnson et al. 2003

22. posun do singularity způsobí arytmicitu • Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního cyklu • vysvětluje jevy neobjasnitelné koncepcí diskrétního entrainmentu: • změnu PRC typu 1 na typ 0 při zesilování časovače • arytmicitu nastávající po specifickém působení časovače Johnson et al. 2003

23. ve tmě se stavové proměnné přibližují k DD cyklu při dlouhé expozici světlu se stavové proměnné postupně přibližují k LL cyklu • Model cirkadiánního oscilátoru se dvěma limitními cykly • předpokládá existenci 2 limitních cyklů - pro stálé světlo (LL cyklus) a pro stálou tmu (DD) • LL cyklus se nachází zhruba na izochroně CT 12 cyklu pro stálou tmu • vysvětluje, proč nedochází k fázovému skoku při dlouhých fotoperiodách • jedna z možností integrace diskrétního a kontinuálního entrainmentu kompletní fotoperioda skeletová fotoperioda krátký pulz světla příliš nevychýlí stavové proměnné od DD cyklu na dlouhé fotoperiodě se oscilátor dostane na LL cyklus a po zhasnutí se vrací k DD cykluz izochrony okolo CT 12; zhasnutí vždy odpovídá přibližně CT 12 a nenastává fázový skok Johnson et al. 2003 podle Peterson 1980