Ученые из Юго-Западного университета разработали генетически модифицированную мышь и систему визуализации, которая позволяет им визуализировать колебания циркадных часов типов клеток у мышей. Метод, описанный в журнале Neuron, дает новое представление о том, какие клетки мозга важны для поддержания основных циркадных часов организма. Но они говорят, что этот подход также будет широко полезен для ответа на вопросы о суточных ритмах клеток по всему телу.
"Это действительно важный технический ресурс для продвижения изучения циркадных ритмов," говорит руководитель исследования Джозеф Такахаши, доктор философии.D., заведующий отделением нейробиологии Юго-западного медицинского центра UT, член Юго-Западного университета Питер О’Доннелл-младший. Brain Institute и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). "Вы можете использовать эти мыши для множества различных приложений."
Почти каждая клетка человека – и мышей – имеет внутренние циркадные часы, которые колеблются примерно в 24-часовом цикле. Эти клетки помогают диктовать не только голод и циклы сна, но и биологические функции, такие как иммунитет и метаболизм. Дефекты циркадных часов связаны с заболеваниями, включая рак, диабет и болезнь Альцгеймера, а также с нарушениями сна. Ученым давно известно, что небольшая часть мозга, называемая супрахиазматическим ядром (SCN), объединяет информацию от глаз о циклах света и темноты в окружающей среде с главными часами тела. В свою очередь, SCN помогает поддерживать синхронизацию остальных клеток организма друг с другом.
"Что делает SCN особенным видом часов, так это то, что они надежны и гибки," говорит Такахаши. "Это очень мощный кардиостимулятор, который не теряет счет времени, но в то же время может адаптироваться к сезонам, изменению продолжительности дня или перемещению между часовыми поясами."
Чтобы изучить циркадные часы как в SCN, так и в остальной части тела, исследовательская группа Такахаши ранее разработала мышь, у которой была биолюминесцентная версия PER2 – одного из ключевых циркадных белков, уровни которого колеблются в течение дня. Наблюдая за увеличением и уменьшением уровней биолюминесценции, исследователи смогли увидеть, как PER2 циркулирует по телам животных в течение дня. Но белок присутствует почти в каждой части тела, что иногда затрудняет различение циркадных циклов между разными типами клеток, смешанными вместе в одной и той же ткани.
"Например, если вы наблюдаете срез мозга, почти каждая отдельная ячейка имеет сигнал PER2, поэтому вы не можете действительно различить, откуда исходит какой-либо конкретный сигнал PER2," говорит Такахаши.
В новой работе ученые решили эту проблему, обратившись к новой системе биолюминесценции, которая меняла цвет – с красного на зеленый – только в клетках, экспрессирующих определенный ген, известный как Cre. Затем исследователи могли сконструировать мышей так, чтобы Cre, который в природе не встречается в клетках мыши, присутствовал только в одном типе клеток за раз.
Чтобы проверить полезность этого подхода, Такахаши и его коллеги изучили два типа клеток, которые составляют SCN мозга – клетки аргининового вазопрессина (AVP) и вазоактивные клетки кишечного полипептида (VIP). В прошлом ученые выдвинули гипотезу, что VIP-нейроны являются ключом к поддержанию синхронизации остальной части SCN.
Когда исследовательская группа изучила VIP-нейроны – экспрессирующие Cre только в этих клетках, так что PER2 светился зеленым в VIP-клетках, а в других местах – красным, – они обнаружили, что удаление циркадных генов из нейронов в целом мало влияет на циркадные ритмы VIP-нейронов. , или остальная часть SCN. "Даже когда у VIP-нейронов больше не было работающих часов, остальная часть SCN вела себя практически так же," объясняет Юнли Шань, доктор философии.D., научный сотрудник UTSW и ведущий автор исследования. По его словам, соседние клетки могли передавать сигнал VIP-нейронам, чтобы они синхронизировались с остальной частью SCN.
Однако, когда они повторили тот же эксперимент с нейронами AVP – удалив ключевые гены часов – не только сами нейроны AVP показали нарушенные ритмы, но и вся SCN перестала синхронно циклически вращаться в своем обычном 24-часовом ритме.
"Это показало нам, что часы в нейронах AVP действительно важны для синхронизации всей сети SCN," говорит Шан. "Это удивительный результат и несколько противоречивый, поэтому мы надеемся, что он приведет к дальнейшей работе над нейронами AVP."
Такахаши говорит, что другие исследователи, изучающие циркадные ритмы, уже запросили линию мышей из его лаборатории для изучения суточных циклов других клеток. По его словам, мыши могут позволить ученым уточнить различия в циркадных ритмах между типами клеток в пределах одного органа или то, как цикл опухолевых клеток отличается от цикла здоровых клеток.
"Во всевозможных сложных или пораженных тканях это может позволить вам увидеть, какие клетки имеют ритмы и чем они могут быть похожи или отличаться от ритмов других типов клеток."