Новое исследование, которое будет опубликовано на этой неделе в онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые показывает, что это измерение сезонного времени имеет эпигенетический компонент. Эпигенетика относится к изменению экспрессии генов, которое происходит без изменения последовательности молекул ДНК.
В исследовании использовались сибирские хомяки, которые размножаются только в конце весны и начале лета, когда дни самые длинные. Он выявил молекулярный механизм того, как эти хомяки избегают размножения осенью и зимой, тем самым предотвращая роды в холодные зимние месяцы с ограниченными ресурсами.
Вот как работает механизм: воздействие коротких периодов дневного света снижает метилирование ДНК в гипоталамусе хомяков. (При метилировании ДНК метильная группа — один атом углерода и три атома водорода — присоединяется к гену, тем самым изменяя его экспрессию.) В свою очередь, снижение метилирования ДНК стимулирует экспрессию гена, который снижает репродуктивную способность хомяка.
«Наши результаты впервые показывают, что метилирование ДНК, действующее как динамический механизм в мозгу млекопитающих, играет центральную роль в психологической и физиологической ориентации животного в течение дня», — сказал соавтор Брайан Прендергаст. профессор психологии Чикагского университета. "Но это исследование — только верхушка айсберга, потому что оно помогает осветить плохо изученную область сезонности животных, внутренний механизм отсчета времени, который регулирует жизнь животных."
Прендергаст добавил, что люди, которые, как и хомяки, также являются млекопитающими и позвоночными, являются исключительно сезонными, цитируя длинный удивительный список универсальных человеческих переживаний, которые имеют сезонный компонент, включая рождение, смерть, самоубийства, вирусные инфекции, смертность. от бактериальных инфекций, режима сна и синдрома внезапной детской смерти, даже несмотря на то, что индустриальные общества защищают людей от сопутствующих факторов. «Многие из этих событий связаны с продолжительностью дня, — сказал он, — поэтому очень важно узнать, как фотопериодическое измерение времени работает у животных."
Световые подсказки нового механизма
Сибирский хомяк — хороший объект для изучения сезонного хронометража. По мере того, как осенью дни укорачиваются, самцы теряют примерно 30 процентов массы тела, их мех линьки и семенники значительно уменьшаются в размерах. «Изменения настолько глубоки, что хомяк выглядит почти как другое животное», — сказал Прендергаст.
Новое исследование показывает, как эти изменения связаны с реакцией хомяка на постоянно меняющуюся продолжительность дня. Это также показывает, что эти изменения связаны с зимним уровнем мелатонина и что этот процесс обратим.
«Метилирование ДНК является ключевым механизмом, с помощью которого продолжительность дня и уровни мелатонина оказывают сезонный контроль над экспрессией фермента дейодиназы, известного как dio3, и экспрессия dio3, вероятно, действует как ключевой шаг для поддержания репродуктивной компетентности в течение сезона размножения», — сказал он. соавтор Тайлер Стивенсон, старший преподаватель Института биологических и экологических наук Университета Абердина в Шотландии.
По словам Прендергаста, у животных, помимо людей, нет часов и календарей, компьютеров и смартфонов, но их внутренние физиологические механизмы примерно так же точны, как и эти устройства. «Естественный отбор привел к появлению организмов, которые сформировали внутреннее представление времени, — сказал он, — и наука делает успехи в лучшем понимании этого биологического хронометража."- Грег Борзо
Цитата: «Обратимое метилирование ДНК регулирует сезонное фотопериодическое измерение времени» будет опубликовано в раннем онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences в течение недели с сентября. 23, 2013.
Финансирование: Национальный центр исследовательских ресурсов и Национальный центр развития трансляционных наук Национальных институтов здравоохранения.