Biológiai ritmusok Détári László evolúció ritmikus környezetben zajlott – életfolyamatok ritmikusak 1700-as évektől tudjuk, hogy állandó környezetben fennmaradnak – óra számos misztikus tulajdonság, pl. T független a hőmérséklettől változó hőmérsékletűekben is – nincs óra, nincs állandó környezet a vita 1972-ben dőlt el: Irvine Zucker és Robert Moore egymástól függetlenül: SCN roncsolása patkányban magatartási aritmiát okoz Détári László

2/33 A ritmusok fajtái mit nevezünk ritmusnak az élő szervezetben? – körülbelül azonos időközönként ismétlődő jelenségeket belső irányítottságú ritmusok: légzés, szívverés, bélmozgás, agyhullámok, stb. külső tényezők által meghatározott ritmusok: egyes madarak éneke belső óra által irányított ritmus, szinkronizáló tényezők (Zeitgeber) a környezet ritmusaihoz igazítják – ennek hiányában szabadonfutó ritmus

A külső-belső ritmusok leírása 3/33 A külső-belső ritmusok leírása De Mairan (1729): a mimóza levélmozgása sötétben is fennmarad

A ritmusok típusai periódusidő – a geofizikai változó szabja meg: 4/33 A ritmusok típusai periódusidő – a geofizikai változó szabja meg: tidális: ár-apály ritmus periódusidő: 12,8 óra szinkronizáló tényező: nyomás, mechanikai ingerek napi: napi ritmus periódusidő: 24 óra szinkronizáló tényező: fény, (hőmérséklet, aktivitás) lunáris: holdhónapos ritmus periódusidő: 29,5 nap szinkronizáló tényező: telehold? annuális: éves periódusidő: 365 nap szinkronizáló tényező: ???

5/33 Cirkannuális ritmus

Cirkadian ritmus hörcsögben 6/33 Cirkadian ritmus hörcsögben

A cirkadian periódusidő hőmérsékletfüggése 7/33 A cirkadian periódusidő hőmérsékletfüggése

8/33 A fény hatása állandó fényben (LL) nappali és éjszakai állatok periódus ideje másképpen változik: Aschoff szabály: nappali állat: fényintenzitás nő, T csökken éjszakai állat: fényintenzitás nő, T nő cirkadian szabály: nappali állat: fényintenzitás nő, W/S nő éjszakai állat: fényintenzitás nő, W/S csökken a fény nagy hatását mutatja a perzisztens ösztrusz is rövid fényimpulzusok a ritmusok fázishelyzetét módosítják

9/33 Fázis-válasz görbe Hannibal, Cell & Tissue Res. 309:73,2002

Fázis-válasz görbe (PRC) 10/33 1-Húslégy 5-páncélos ostoros 9-őzegér 2-Coleus 6-szúnyog 10-egér 3-csótány 7-arany hörcsög 11-denevér 4-Euglena 8-őzegér 12-ecetmuslica

Mire jó a biológiai óra? navigáció csillagászati objektumok alapján 11/33 Mire jó a biológiai óra? a változások előrejelzése – üreglakó, ár-apály zónában élő állatok navigáció csillagászati objektumok alapján „méhek tánca” – tájékozódás a Nap állása alapján a nappalok hosszának mérése – fotoperiodizmus a szaporodás időzítése – Palolo férgek „kapuzás” – egyszer bekövetkező események időzítése – Drosophila kikelése

Palolo (mbalolo) ünnep 12/33 Palolo (mbalolo) ünnep jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. I. II. III. IV. 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 3:00 6:00 24:00

A napi ritmusok mester órája 13/33 A napi ritmusok mester órája a legkönnyebben vizsgálható és talán legfontosabb a napi ritmus a látópálya mentén keresték, sorozatos irtásokat végezve két csoport, egymástól függetlenül, és egyidőben találta meg az emlősök óráját: Stephan and Zucker, 1972 Moore and Eichler, 1972 a látóideg kereszteződése fölött, a hipotalamusz előtt található páros mag: nucleus suprachiasmaticus más állatfajokban is a látópályához kapcsolódik

Publikációk az SCN-ről 14/33 Az SCN elhelyezkedése Publikációk az SCN-ről az SCN a látóideg kereszteződése felett helyezkedik el páratlan karrier, egyik legtöbbet vizsgált struktúra, elmúlt 10 évben évi 200 cikk

15/33 SCN irtás patkányban

Alapkérdések az óra működéséről 16/33 Alapkérdések az óra működéséről Hogyan generálja a ritmust? a továbbiakban először anatómia, majd fiziológia, ezen belül 3 aspektus

Az óragének felfedezése 17/33 Az óragének felfedezése 1985 – Martin Ralph – tau-mutáns hörcsög állandó sötétben rövid periódus idő, mendeli öröklésmenet (20/22/24) áttörés 1994-ben forward genetikai megközelítéssel – Vitaterna (PhD-s) Clock mutáns az első 42 egér között a mutáció hatására kiesett egy glu-ban gazdag régió, ami a bHLH tipusú transzkripciós faktorokra jellemző a géntermék tehát transzkripciós faktor van benne egy PAS domain is – dimerizáció lehetősége más hasonló fehérjékkel

Az óra mechanizmusa lebomlás B Bmal1 Clk Clock C B P Per1-3 Cry Cry1-2 18/33 Az óra mechanizmusa B Bmal1 Clk Clock C B P Per1-3 Cry Cry1-2 P Cry lebomlás

Alapkérdések az óra működéséről 19/33 Alapkérdések az óra működéséről Hogyan generálja a ritmust? Hogyan igazítja a ritmust a külvilág ciklusaihoz? a továbbiakban először anatómia, majd fiziológia, ezen belül 3 aspektus

A retina rétegei fény 20/33 Szentágothai, Medicina, 1971, Fig.8-60 Berne and Levy, Mosby Year Book Inc, 1993, Fig. 9-6

Fényérzékeny ganglionsejtek a retinában 21/33 Fényérzékeny ganglionsejtek a retinában 1 mm magvakítás – nincs alkalmazkodás a fényhez mutáns egér pálcika és csap nélkül – van alkalmazkodás – ganglion sejtek érzékelik a fényt speciális csoport, PACAP tartalommal – kettős jelölés – ezek vetülnek az SCN-re milyen pigment érzékeli a fényt? kettő jött számításba: cryptokróm (kékre érzékeny) és melanopszin (halak és kétéltűek melanoforáiban írták le) előbbi az óramechanizmusban szerepel, utóbbi 2002 decemberi két Science cikk szerint fontosabb – knockout egérben jelentős kárododást szenved a fényhez alkalmazkodás a melanopszin tartalmú sejtek PACAP-ot is tartalmaznak és vetülnek kapnak pálcika és csap bemenetet is a macskában leírt W ganglion sejteknek felelnek meg Hannibal, J., Cell Tissue Res., 309:73, 2002

Ganglionsejtek a retinában 22/33 Ganglionsejtek a retinában Berne and Levy, Mosby Year Book Inc, 1993, Fig. 9-16

Az SCN bemenetei CTX, BF, HT, stb. raphe SCN retina IGL shell core GHT 23/33 Az SCN bemenetei CTX, BF, HT, stb. raphe 5-HT az SCN bemenetei – eltérés a core és a shell között a funkció kérdéses shell NPY core SCN GHT retina Glut PACAP IGL RHT

Alapkérdések az óra működéséről 24/33 Alapkérdések az óra működéséről Hogyan generálja a ritmust? Hogyan igazítja a ritmust a külvilág ciklusaihoz? Hogyan továbbítja a generált ritmust az agy többi részéhez? a továbbiakban először anatómia, majd fiziológia, ezen belül 3 aspektus

SCN aktivitás in vivo SCN HT 25/33 évek óta végzünk kísérleteket a leideni egyetem élettani tanszékével in vivo és invitro MUA, 125 mikronos elektród, olykor egysejt aktivitás is fény szakaszban magasabb aktivitás éjjeli és nappali állatokban egyaránt, állandó sötétben tartott állatokban hasonló a helyzet szeletben is, a szeletkészítés előtti időhöz mérve patkányban a fordított aktivitás miatt rögtön látni, jó helyen van-e az elektród kisülés éjsaaka közepén 0.7, nappal közepén 1.4 Hz saját méréseinkben (9 sejt legalább 48 órán át) minden sejt oszcillátor a gének miatt, a NyP változás módosítja feltehetően a kisülést – mi szinkronizál? a sejtek GABA-t tartalmaznak, de gátlással is lehet szinkronizálni – ugyanakkor egyesek szerint nappal, mások szerint éjjel serkent a GABA a Cl gradiens megváltozása miatt, megint mások szerint mindig gátol a kisülés viszont nem kell az óra működéséhez: TTX és lidokain kérdés egyáltalán szinkronizáltak-e HT Meijer Meijer, J.H., Watanabe, K., Schaap, J., Albus, H., Détári, L.., J. Neurosci. 18(1998):9078

Az SCN aktivitása in vitro 26/33 Az SCN aktivitása in vitro

27/33 CT 6 CT 3 CT 9 CT 0 CT 12 éjjel sokkal nagyobb válasz, de azonos előjelű mindig, annak ellenére, hogy a fázis-válasz görbe mást hatást mutat az éjszaka elején és végén CT 21 CT 15 CT 18 Meijer, J.H., Watanabe, K., Schaap, J., Albus, H., Détári, L.., J. Neurosci. 18(1998):9078

A tobozmirigy verébben 28/33 A tobozmirigy verébben megvakított veréb, fény-sötét viszonyok között 1 - tollak kitépése a hátról 2 - tollak kitépése a fejről 3 - újranőtt tollak kitépése 4 - tus a fejbőr alá 5 - bőr és tus lekaparása

29/33 A tobozmirigy szerepe

Az SCN kimenetei PVN medial HT IGL egyéb célpontok SCN shell core MPOA 30/33 PVN medial HT MPOA PVN, sPVN DMH, VMH IGL legfontosabb kapcsolatok kiemelni a tobozmirigy szabályozását a szimpatikus idegrendszeren keresztül endokrin sejtek CRF, TRH, GnRH vegetatív sejtek szimpatikus, paraszimpatikus integráló sejtek egyéb célpontok SCN shell core

Egy óra – több óra számos szervben megvan az óra mechanizmus 31/33 Egy óra – több óra számos szervben megvan az óra mechanizmus ez magyarázza az izolált szervek fennmaradó ritmusát a mester óra a hormonális rendszeren és a magatartáson át szabályoz szétválhatnak egymástól a ritmusok: időzónán át utazás vakok etetési idő limitálása egyes esetekben állandó körülmények közé helyezés is

Deszinkronizáció emberben 32/33 Deszinkronizáció emberben