Сезонная регуляция биологических часов в мозге клопа-щитника

Организм обладает не только биологическими часами, определяющими время суток, но и механизмом, отслеживающим время года. Исследователи из Японии обнаружили, что за этим сезонным механизмом может стоять одна небольшая молекула.

В исследовании, опубликованном в PLOS Biology, учёные из Университета Осаки показали, что сигнализация с помощью глутамата ответственна за сезонную регуляцию размножения у клопов-щитников (Riptortus pedestris) через гены, поддерживающие циркадный ритм.

Циркадный ритм управляется биологическими часами, которые контролируют процессы в организме в зависимости от времени суток. Связанный с этим процесс — фотопериодическая чувствительность, или сезонная регуляция, когда процессы организма регулируются на сезонной основе в зависимости от длины светового дня и ночи.

Предыдущие исследования показали, что гены циркадных часов участвуют не только в регуляции суточных процессов, но и сезонных событий, таких как размножение у насекомых. Однако механизм этого взаимодействия оставался неясным.

Чтобы это выяснить, исследователи сосредоточились на глутамате — нейромедиаторе, участвующем в передаче множества сигналов в мозге многих животных, от беспозвоночных до млекопитающих. Используя клопов-щитников как удобную модель для изучения сезонных ритмов, связанных с циркадными часами, учёные оценили уровень глутамата в мозге при разных фотопериодических условиях, связанных с сезонным репродуктивным циклом, и в ответ на подавление генов циркадных часов.

Результаты были однозначными: внеклеточный уровень глутамата во всём мозге был значительно выше в условиях короткого дня по сравнению с длинным днём. Подавление гена часов period устраняло эту разницу.

Прямое снижение или увеличение уровня глутамата в мозге клопов также уменьшало сезонно-специфичные изменения репродуктивного статуса. Кроме того, манипуляции с уровнем глутамата нарушали фотопериодические реакции нейронов pars intercerebralis, которые обычно меняют свою нейронную активность в зависимости от сезона и стимулируют откладку яиц.

Полученные данные показывают, что динамика внеклеточного глутамата регулируется генами часов и играет ключевую роль в фотопериодическом контроле размножения.

Учитывая, что глутамат широко используется для нейропередачи у животных — от насекомых до млекопитающих, — результаты этого исследования имеют значение за пределами биологии клопов-щитников. Дальнейшее изучение этого вновь обнаруженного механистического звена между циркадными часами и фотопериодической регуляцией может углубить наше понимание сезонной адаптации у широкого круга животных.