在微小的甲壳类动物中发现了连接昼夜节律和昼夜节律的基因

麻省大学陈医学院和伍兹霍尔海洋生物实验室的科学家已经确定了第一个基因 - Bmal1 - 在调节甲壳类动物夏威夷Parhyale的昼夜节性行为中起着至关重要的作用。昼夜节律帮助动物应对沿海地区潮汐的涨落。

神经生物学家Patrick Emery博士，Joshua Rosenthal博士及其同事的研究发表在Current Biology上，证明了生物钟和生物钟之间的第一个分子联系，同时将P. hawaiensis确立为研究昼夜节律遗传学的强大新动物系统。

“生物钟对于生物体 - 包括人类 - 优化其生理机能并使其行为适应环境周期至关重要，”麻省大学陈医学院副兼神经生物学教授，海洋生物实验室惠特曼中心研究员Emery博士说。“通过了解这些行为如何在遗传上硬连接到生物体中，我们可以绘制影响生理和行为的感觉系统和神经回路。

潮汐每12.4小时发生一次。每天两次潮汐中的一次是由月球对地球的引力引起的，而第二次是由月球和地球在太空中的旋转运动产生的离心力引起的。生活在潮汐区的海洋动物已经适应了行为，以应对每12.4小时从干燥到水生环境的这些戏剧性变化。

尽管在20世纪初期首次在Roscoff蠕虫(Symsagittifera roscoffensis)中观察到了昼夜节律，并自1950年代以来在螃蟹，贻贝和其他海洋物种中进行了详细研究，但生物钟的分子和遗传基础及其与生物钟的关系仍然难以捉摸。

“缺乏可修改基因敲低和转基因操作的动物模型使科学家无法明确研究生物钟的分子起源及其与生物钟基因的关系，”埃默里说。“只有少数关于生物圈遗传学的研究存在，这些研究无法排除或排除生物钟基因在动物昼夜节律行为中的作用。

麻省大学Chan埃默里实验室的医学博士/博士生Erica Kwiatkowski与海洋生物实验室高级科学家Rosenthal博士的实验室合作，将小型片脚类甲壳类动物P. hawaiensis确定为一个有前途的模型。为了模拟夏威夷假单胞菌的自然环境，研究人员在实验室中为一厘米长的动物开发了一个人工潮汐栖息地，使用人工海水每12.4小时泵入和抽出水族箱。

Kwiatkowski及其同事将片脚类动物在人工潮汐环境中暴露在10个周期(相当于五天)中。一旦适应了这些条件，研究人员就会将夏威夷假单胞菌从人工潮汐环境中移除，并放入具有恒定水位的栖息地。在单个试管中，使用红外光束记录动物的游泳活动。引人注目的是，每12.4小时，大多数动物(80%)在预期涨潮时增加游泳活动，然后在预期退潮时减少活动，即使它们不再暴露于不断变化的水位。这证明了控制夏威夷假单胞菌运动行为的生物钟的存在。

海洋生物实验室主任Nipam Patel博士已经开发出夏威夷假单胞菌作为模型生物，用于研究控制胚胎发育许多方面的基因，包括肢体模式。

“多年来，帕特尔实验室在这种生物体中创造了宝贵的资源，例如测序的基因组和使用CRISPR敲除基因的方法。虽然最初的意图不是使用Parhyale来研究昼夜节律，但事实证明它非常适合此目的。我们预测这种生物将催化该领域的大量未来研究，“罗森塔尔说。

一旦在夏威夷假单胞菌中建立了强烈的昼夜节律，Kwiatkowski及其同事就使用CRISPR / Cas9引导的基因敲低来寻找与昼夜节律行为相关的基因。通过敲除单个基因，科学家可以观察到丢失的基因对生物过程的影响。

Kwiatkowski及其同事使用控制哺乳动物昼夜节律的基因作为寻找昼夜节律基因的指南，发现敲低昼夜节律基因Bmal1改变了夏威夷假单胞菌的行为 - 动物不再表现出昼夜节律游泳行为。相反，这些动物表现出与潮汐流无关的无节律行为。

“Bmal1是维持夏威夷假单胞菌生物行为的关键成分，”Kwiatkowski说。“这是参与昼夜节律的基因也参与昼夜节律的第一个证据。这在两个系统之间建立了分子联系。

Emery及其同事的下一步是研究Bmal1在驱动昼夜节行为中的确切作用以及可能涉及哪些其他基因。

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