Механизм настройки циркадных ритмов у дрозофилы: роль глаз в адаптации к длине дня

Циркадные часы должны быть гибкими, чтобы адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Например, плодовой мушке Drosophila необходимо менять паттерны активности при сокращении светового дня осенью: сокращать длительную сиесту, актуальную для защиты от жары и хищников летом, и сдвигать пик вечерней активности.

Для такой адаптации часы мушки обрабатывают внешние сигналы — zeitgebers («дающие время»). Главный из них — свет.

Учёные из Вюрцбургского университета (Шарлотта Фёрстер и Маттиас Шлихтинг) выяснили новые детали этого взаимодействия. Их работа опубликована в Current Biology.

Как работает синхронизация

У млекопитающих для тонкой настройки синхронизации часов работает комбинация традиционных фоторецепторов сетчатки (палочки и колбочки) и циркадного фоторецептора меланопсина.

У дрозофилы обнаружен аналогичный механизм: в процессе световой синхронизации вместе работают сложные глаза, внеретинальные глазки Гофбауэра-Бухнера и циркадный фоторецептор криптохром.

Известно, что криптохром, находясь в особых клетках-нейронах часов, при освещении взаимодействует с белком часов timeless, приводя к его деградации (образно — «сбрасывает часы на ноль»). Но как именно глаза обмениваются информацией с нейронами часов и как воспринимается разная длина дня, было изучено меньше.

Эксперименты с разной длиной дня

Учёные работали с разными группами мух: здоровыми, безглазыми и без специфических зрительных пигментов — родопсинов. Насекомых помещали в условия с разной длиной светового дня (от 12 до 20 часов при 24-часовом цикле) и наблюдали за их активностью.

Результаты:

• При 12-часовом дне (условия экватора) у здоровых мух наблюдались два пика активности: на «восходе» и перед «закатом».
• С увеличением светового дня вечерняя активность запаздывала, а сиеста (полуденный отдых) удлинялась.
• Однако пик вечерней активности отклонялся от времени искусственного заката, особенно при 20-часовом дне. Вероятно, это связано с неестественностью таких условий для мух в природе.

Ключевая роль сложных глаз

Эксперименты с безглазыми мухами показали, что сложные глаза играют ключевую роль. У таких мух пик активности тоже сдвигался при увеличении дня, но значительно меньше, чем у зрячих.

Последующие опыты позволили определить ответственные структуры. Каждый фасет сложного глаза мушки содержит восемь рецепторных клеток и пять родопсинов. Методом исключения учёные выявили, что за эффект отвечают рецепторная клетка №8 и присутствующие в ней родопсины 5 и 6.

Нейронный путь сигнала

Исследование передачи светового сигнала в мозг и к нейронам часов дало неожиданный результат:

• При «умеренной» длине светового дня сигнал передаётся через «малые латеральные нейроны часов».
• В экспериментах с 20-часовым днём сигнал шёл через «большие латеральные нейроны часов».

Вывод: Несмотря на малый размер циркадных часов дрозофилы (всего около 150 нейронов), система обладает высокой пластичностью. Эта нейронная пластичность необходима для быстрой адаптации животных к меняющимся условиям.