Могут ли экологические токсины нарушить биологические «часы»?
Исследование показывает связь между нарушением циркадных ритмов и адаптацией планктона к загрязнению дорожной солью, что ставит вопрос о влиянии токсинов на биологические часы, чье расстройство связано с хроническим воспалением и множеством заболеваний.
«Это исследование показывает, что воздействие экологических токсинов может подавлять функцию наших циркадных часов, нарушение которой связано с повышенным уровнем заболеваемости раком, диабетом, ожирением, сердечными заболеваниями и депрессией», — говорит Дженнифер Хёрли, старший автор работы. — «Это первый случай, когда подобное показано на уровне ядра часов, которое мы считали сильно защищенным от таких экологических воздействий».
Адаптация Daphnia к соли
Исследование основано на данных Jefferson Project at Lake George, показавших, что обычный вид зоопланктона, Daphnia pulex, может эволюционировать и приобретать толерантность к умеренным уровням дорожной соли всего за 2,5 месяца. Было создано пять популяций Daphnia, адаптированных к концентрациям хлорида от 15 мг/л (как в озере Джордж) до 1000 мг/л (как в сильно загрязненных озерах Северной Америки).
«Планктон, возможно, совершает грандиозный компромисс, чтобы переносить повышенное содержание соли», — отмечает соавтор Рик Рельеа. — «Циркадный ритм управляет их ежедневной миграцией: в глубокие воды днем, чтобы спрятаться от хищников, и на мелководье ночью для питания. Нарушение этого ритма может повлиять на всю экосистему озера».
Механизм воздействия на циркадные часы
Хёрли предполагает, что адаптация к соли, вероятно, влияет на Daphnia на эпигенетическом уровне — через наследуемые изменения в экспрессии генов, а не в генетическом коде.
Чтобы выяснить, влияет ли соль на циркадный ритм Daphnia, исследователи сначала установили, что планктон управляется набором clock-control генов, которые предвосхищают цикл день/ночь. Геном Daphnia включает ген PERIOD (PER), набор генов, почти идентичных ядру циркадных часов плодовой мушки (Drosophila melanogaster).
Ключевые эксперименты
Кайла Колдсноу, первый автор исследования, отслеживала экспрессию mRNA гена PER у Daphnia в условиях естественного низкого уровня соли и постоянной темноты. Несмотря на постоянные условия, уровни PER mRNA колебались с 24-часовым ритмом, что явно указывало на функциональные циркадные часы.
Затем аналогичный эксперимент был проведен с пятью популяциями Daphnia, адаптированными к разной концентрации соли. Данные показали, что ритмы PER mRNA ухудшались по мере адаптации к возрастающим концентрациям соли.
«Мы видим градуированный, измеренный ответ у этого организма: чем выше уровень соли, к которому адаптированы Daphnia, тем больше это подавляет экспрессию их циркадных часов», — поясняет Хёрли. — «Популяция, адаптированная к естественно низкому уровню соли, демонстрирует красивый, здоровый oscillation в экспрессии PER mRNA, но популяция, адаптированная к высокому уровню соли, полностью потеряла способность к такой осцилляции».
Значение и перспективы
«Последствия существенны», — говорит Хёрли. — «Вы подвергли Daphia воздействию экологического токсина, и ее часы были подавлены, вероятно, через эпигенетические механизмы. Часы и биология Daphnia очень похожи на часы и биологию как нашего мозга, так и большинства организмов. Возможно ли, что мы можем наблюдать эпигенетические изменения в человеческом мозге из-за воздействия экологических токсинов?»
Исследование открывает новую дверь в изучении циркадных ритмов и демонстрирует потенциал междисциплинарного сотрудничества.