Title: Sn
1J. Kolár - Biologické rytmy a fotoperiodizmus
rostlin
3 Synchronizace cirkadiánních rytmu s denními
zmenami prostredí
2- cirkadiánní rytmy - grafické znázornení
- nejbežnejší je graf casového prubehu merené
veliciny
aktivita promotoru genu pro protein CAB2 v
Nicotiana tabacum - mereno pomocí bioluminiscence
rostlin s reporterovým genem pro luciferázu,
který je rízen promotorem cab2 (data J. Kolár)
3- cirkadiánní rytmy - grafické znázornení
- castý je také double-plot data z jednotlivých
dnu jsou srovnána pod sebou a zdvojena - z double-plotu se dobre vizuálne stanoví
perioda, zmeny fáze apod.
pohybová aktivita myši (Pittendrigh 1993)
4pohybová aktivita hlodavce Peromyscus maniculatus
(Pittendrigh a Minnis 1964)
5- synchronizace cirkadiánních rytmu s denní
periodicitou prostredí - (pripomenutí z minulé prednášky)
- v prírode je nezbytné, aby cirkadiánní rytmy
mely periodu presne 24 hodin a také patricnou
fázi ve vztahu k periodicite vnejších faktoru
(listy sklopené v noci, produkce fotosyntetických
proteinu pres den apod.) - to je zajišteno procesem zvaným entrainment
(nejlepší ceský preklad asi synchronizace, což
ovšem není úplne presné) - entrainment cirkadiánních rytmu je tedy nezbytný
pro casování aktivit organizmu do správné denní
doby - musí proto zajistit vhodný vztah fází
(tzv. rozdíl fázových úhlu, angl. phase angle
difference) mezi rytmicitou prostredí a
cirkadiánním oscilátorem - entrainment je vždy vyvolán nejakým podnetem z
prostredí, tzv. casovacem (angl. zeitgeber) - casovac je nejcasteji svetlo/tma, bežne i zmeny
teploty u živocichu nekdy také sociální stimuly,
dostupnost potravy aj.
6Kritéria entrainmentu
- Behem entrainmentu pusobí vnejší rytmus
(periodicita casovace) na endogenní (cirkadiánní)
rytmus. Entrainment musí splnovat tyto podmínky - délka periody endogenního rytmu se rovná délce
periody vnejšího rytmu - ustaví se stabilní rozdíl fází mezi endogenním a
vnejším rytmem (napr. listy jsou nejvíce sklopeny
vždy 8 h po zhasnutí) - po presunu do konstantních podmínek pokracuje
endogenní rytmus s volne bežící periodou a s
fází, která je urcena predchozím pusobením
vnejšího rytmu
7- Dva typy modelu pro vysvetlení experimentálne
zjišteného entrainmentu - diskrétní Casovace jsou jednorázové události
(hlavne rozednení a setmení, v nekterých
prípadech zmeny teploty aj.). Synchronizace s
rytmicitou prostredí je dosaženo tím, že casovace
vyvolávají zmeny fáze endogenního rytmu (fázové
posuny, angl. phase shifts). - kontinuální Casovace pusobí kontinuálne
(nejcasteji svetlo behem celého dne, tma v noci).
Synchronizace s rytmicitou prostredí je dosaženo
mimo jiné tím, že casovace zpusobují zmeny
periody endogenního rytmu (je napr. známo, že
délka periody závisí na intenzite osvetlení). - diskrétní modely entrainmentu jsou v soucasnosti
nejúspešnejší - nejsou príliš složité a pritom
dobre vysvetlují velké množství experimentálních
dat
8- fázové posuny (phase shifts)
- casovac (napr. pulz svetla behem stálé tmy)
vyvolá zmenu fáze volne bežícího rytmu - velikost a smer fázového posunu závisí na fázi
rytmu, v níž casovac pusobí
9- diskrétní entrainment
- hlavní predpoklad aplikace casovace vyvolá
ruzné fázové posuny v ruzných fázích
cirkadiánního rytmu - klícovým pojmem proto krivka fázové odpovedi
(phase response curve, PRC)
nejcastejší tvar PRC pro úcinek krátkého pulzu
svetla behem stálé tmy
10diskrétní entrainment postup pro získání PRC
vliv 15-min pulzu svetla na rytmus pohybové
aktivity myši ve stálé tme (Benloucif a
Dubocovich 1996)
11- diskrétní entrainment
- prubeh cirkadiánního rytmu lze modelovat na
základe znalosti endogenní periody (FRP), prubehu
PRC pro daný casovac a periodicity casovace
modelová PRC pro vliv 15-min pulzu svetla na
rytmus líhnutí z kukel u Drosophila, použitá pro
simulaci (z Johnson 1997)
12- 1-bodový diskrétní entrainment
- pravidelné opakování casovace s urcitou periodou
(T), která muže být i jiná než 24 h (T-cykly) - pri stabilním entrainmentu pusobí casovac 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 bode, kde sklon krivky je mezi 0 a -2,
pak je dosaženo entrainmentu, a to s rozdílem
fázových úhlu specifickým pro délku T-cyklu - mimo tyto meze entrainmentu je bud fáze
nestabilní, nebo nastává frekvencní
demultiplikace (perioda oscilátoru je ná-sobkem
T), prípadne relativní koordinace
relativní koordinace pohybová aktivita zlatých
krecku v T-cyklech s 15 min svetla (Pittendrigh a
Daan 1976)
Johnson et al. 2003
14- 2-bodový diskrétní entrainment
- 2 pulzy svetla v každém cyklu, s pevným
intervalem mezi nimi (skeletová fotoperioda) - behem jednoho cyklu jsou tedy 2 fázové posuny
jejich soucet se musí rovnat FRP - T - cirkadiánní oscilátor se synchronizuje se
skeletovou fotoperiodou do urcité míry podobne
jako s kompletním fotoperiodickým režimem pulzy
svetla jsou ekvivalentní rozsvícení a zhasnutí
Johnson et al. 2003
15- 2-bodový diskrétní entrainment (skeletové
fotoperiody) - simulace s využitím PRC velmi dobre predpovídá
pozorované jevy (rozdíl fázových úhlu
cirkadiánního rytmu vzhledem ke svetelným pulzum,
fázový skok, bistabilita)
Pittendrigh a Minnis 1964
16- Co diskrétní model entrainmentu nevysvetluje?
- entrainment pri kompletní fotoperiode
- rozsvícení a zhasnutí nejsou vždy ekviva-lentní
krátkým pulzum svetla (pri dlouhých fotoperiodách
nedochází k fázovému skoku) - možná zde pusobí kontinuální entrainment?
Pittendrigh a Minnis 1964
17- Co diskrétní model entrainmentu nevysvetluje?
- nevysvetluje zásadní vlastnosti PRC
- proc mají PRC svuj typický prubeh?
- proc existují dva hlavní typy PRC?
- proc se casto pri zvyšování síly casovace mení
PRC typu 1 skokove na typ 0?
Johnson 1999
18- Co diskrétní model entrainmentu nevysvetluje?
- singularitu
- casovac urcité síly a pusobící ve specifické
fázi nevyvolá posun fáze, ale arytmicitu
singularita v rytmu otevírání kvetu Kalanchoe
blossfeldiana (z Engelmann 2004)
19- Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus
- cirkadiánní oscilátor lze modelovat pomocí
soustavy diferenciálních rovnic - koncepce limitních cyklu predpokládá, že hladiny
nekterých komponent oscilátoru se cyklicky mení -
tyto složky nazýváme stavové promenné (state
variables) - u reálných cirkadiánních oscilátoru odpovídají
stavovým promenným patrne hladiny proteinu - vztahy mezi stavovými promennými lze znázornit
bud casovým prubehem, nebo v takzvaném fázovém
prostoru
casový prubeh
fázový prostor (phase space)
20- Cirkadiánní oscilátor jako limitní cyklus
- vlastnosti modelu založených na limitním cyklu
- limitní cyklus je stabilní trajektorie, po které
oscilují stavové promenné - pri vychýlení (perturbaci) se hodnoty stavových
promenných postupne vracejí na limitní cyklus - izochrony krivky ve fázovém prostoru spojující
body, z nichž se stavové promenné vrátí na
limitní cyklus ve stejné fázi (názorneji - krivky
spojující body se stejným cirkadiánním casem)
stavová promenná y
stavová promenná x
21- Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního
cyklu - vysvetluje jevy neobjasnitelné koncepcí
diskrétního entrainmentu - typický prubeh PRC
Johnson et al. 2003
22- Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního
cyklu - vysvetluje jevy neobjasnitelné koncepcí
diskrétního entrainmentu - zmenu PRC typu 1 na typ 0 pri zesilování
casovace - arytmicitu nastávající po specifickém pusobení
casovace
Johnson et al. 2003
23- Model cirkadiánního oscilátoru se dvema limitními
cykly - predpokládá existenci 2 limitních cyklu - pro
stálé svetlo (LL cyklus) a pro stálou tmu (DD) - LL cyklus se nachází zhruba na izochrone CT 12
cyklu pro stálou tmu - vysvetluje, proc nedochází k fázovému skoku pri
dlouhých fotoperiodách - jedna z možností integrace diskrétního a
kontinuálního entrainmentu
skeletová fotoperioda
kompletní fotoperioda
krátký pulz svetla príliš nevychýlí stavové
promenné od DD cyklu
na dlouhé fotoperiode se oscilátor dostane na LL
cyklus a po zhasnutí se vrací k DD cykluz
izochrony okolo CT 12 zhasnutí vždy odpovídá
približne CT 12 a nenastává fázový skok
Johnson et al. 2003 podle Peterson 1980