Сибирские хомячки раскрывают механизм сезонных биологических часов

Многие животные, включая человека, обладают внутренними часами и календарями, которые помогают регулировать поведение, физиологические функции и биологические процессы. Хотя циркадные ритмы (суточные) изучены хорошо, механизмы, отслеживающие сезонное время, остаются малоизученными.

Новое исследование, публикуемое в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые показало, что измерение сезонного времени имеет эпигенетический компонент. Эпигенетика относится к изменениям в экспрессии генов без изменения последовательности ДНК.

Исследование проводилось на сибирских хомячках, которые размножаются только поздней весной и ранним летом, когда дни самые длинные. Оно раскрыло молекулярный механизм, позволяющий этим животным избегать размножения осенью и зимой, предотвращая рождение потомства в холодные и бедные ресурсами месяцы.

Как работает механизм

Воздействие короткого светового дня снижает метилирование ДНК в гипоталамусе хомячков. (При метилировании ДНК метильная группа — один атом углерода и три атома водорода — присоединяется к гену, изменяя его экспрессию.) Это снижение метилирования, в свою очередь, стимулирует экспрессию гена, который отключает репродуктивную способность хомячка.

«Наши результаты впервые показывают, что метилирование ДНК, действуя как динамический механизм в мозге млекопитающих, играет центральную роль в психологической и физиологической ориентации животного на длину светового дня», — сказал соавтор Брайан Прендергаст.

Люди, как и хомячки, также являются млекопитающими и демонстрируют сезонность во многих аспектах: рождаемость, смертность, инфекции, режим сна и другие. Поэтому понимание того, как работает фотопериодическое измерение времени у животных, критически важно.

Смена освещения запускает новый механизм

Сибирский хомячок — удобная модель для изучения. При сокращении дня осенью самцы теряют около 30% массы тела, линяют, а их семенники значительно уменьшаются.

Исследование показывает, что эти изменения связаны с реакцией на меняющуюся длину дня и зимние уровни мелатонина, и что процесс обратим.

«Метилирование ДНК — ключевой механизм, с помощью которого длина дня и уровень мелатонина осуществляют сезонный контроль над экспрессией фермента дейодиназы dio3. Экспрессия dio3, вероятно, является ключевым этапом для поддержания репродуктивной способности в течение сезона размножения», — пояснил соавтор Тайлер Стивенсон.

Естественный отбор привел к формированию у организмов внутреннего представления о времени, и наука прогрессирует в понимании этих биологических часов.