J. Kolář - Biologické rytmy

a fotoperiodizmus rostlin

3: Synchronizace

cirkadiánních rytmů s denními

změnami prostředí

cirkadiánní rytmy - grafické znázornění

• nejběžnější je graf časového průběhu měřené veličiny

rela

tivn

í in

ten

zita

bio

lum

inis

cen

ce

čas od začátku stálého světla [h]

0 24 48 72 96 120 144

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)

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)

entrainment

entrainment

volně běžící rytmus (free-run)

volně běžící rytmus (free-run)

pohybová aktivita hlodavce Peromyscus maniculatus (Pittendrigh a Minnis 1964)

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.

Kritéria entrainmentuBěhem 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

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)

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

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

pulz svì tla

opoždì ní (delay)

pulz svì tla

èas [hodin]

0 24 48 72 96 120

mì

øen

á v

eli

èin

a

noc densubjektivní

nocsubjektivní

den

pøedbì hnutí (advance)

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)

doba aplikace

svì telného pulzu

(hodin cirkadiánního èasu)

0 12 24

po

su

n f

áze

zp

ožd

ìn

í ž

ád

ný

pøe

db

ìh

nu

tí

subjektivní den subjektivní noc

cirkadiánní èas (CT):délka volnì bì žící periody = 24 h CT

okamžik rozsvícení je 0 h CT

nejčastější tvar PRC pro účinek krátkého pulzu světla během

stálé tmy

diskrétní entrainment

postup pro získání PRC:

vliv 15-min pulzu světla na rytmus pohybové aktivity myši ve stálé tmě (Benloucif a

Dubocovich 1996)

pulz světla

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

-9

-6

-3

0

3

6

9

12

0 3 6 9 12 15 18 21 24

čas aplikace světelného pulzu (h CT)

fázo

vý

po

su

n (

h)

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, že

fázový posun = FRP - T

Johnson et al. 2003

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

Johnson et al. 2003

relativní koordinace: pohybová aktivita zlatých křečků v T-cyklech s 15 min

světla (Pittendrigh a Daan 1976)

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

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

10.3 - 13.7 h

bistabilita

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

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

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)

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

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 24 48 72

čas (h)

ho

dn

oty

sta

vový

ch p

rom

ěnn

ých

stavová proměnná x stavová proměnná y

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5

stavová proměnná x

stav

ová

pro

měn

ná

y

časový průběh „fázový prostor“ (phase space)

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 x

sta

vo

vá

pro

mě

nn

á y

izochronaCT 4

12

0

618

singularita

limitní cyklus

perturbace (pulz světla)

návrat na limitní cyklus

(výsledek perturbace v CT 0

je tedy posun fáze o +4 h CT)

Model cirkadiánního oscilátoru jako limitního cyklu

vysvětluje jevy neobjasnitelné koncepcí diskrétního entrainmentu:

• typický průběh PRC

Johnson et al. 2003

Johnson et al. 2003

posun do singularityzpůsobí 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 podle Peterson 1980

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

skeletová fotoperiodakompletní fotoperioda

při dlouhé expozici světlu se stavové

proměnné postupně přibližují k LL cyklu

ve tmě se stavové proměnné přibližují

k DD cyklu

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 cyklu

z izochrony okolo CT 12; zhasnutí vždy odpovídá přibližně CT 12 a nenastává fázový skok