Informacija

Fazni pomak u mrežnim ćelijama

Fazni pomak u mrežnim ćelijama



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Htio bih u potpunosti razumjeti fazni pomak u ćeliji mreže u MEC -u. Koliko sam shvatio, budući da postoji šesterokutna (tj. Jednakostraničan trokut) rešetka, pa stoga postoje 3 $ phi $, imam sljedeća pitanja u vezi s tim:

1). Ako postoje 3 $ phi $, kako se fazni pomak događa u (pretpostavljam) 3 faze, tj. Zašto postoje 3 pomaka? Vrlo sam zbunjen na temeljnoj razini: zašto dolazi do pomaka faze, je li to zbog ponovnog smještanja faza u neuronima?

2). Kako to Wikipedia definira: "Fazni pomak je svaka promjena koja se dogodi u fazi jedne veličine, ili u faznoj razlici između dvije ili više veličina", pa se postavlja moje pitanje, koja je "količina" u primjeru s rešetkastim ćelijama ili koja je ovdje "fazna razlika između dvije ili više veličina"?

Drugim riječima, zašto postoji 1. smjena, 2. i 3. smjena? Zašto se događaju drugo i treće? Je li to zato što je uzorak mrežnih ćelija jednakostraničan trokut, a prvi tip signala proizvodi prvo polje rešetke (mrlju), a drugi tip signala proizvodi 2. mrlju, ovdje sam uredio ovu sliku kako bih ilustrirao svoju misao:

i možemo vidjeti, modeliramo li ga kosinusom, budući da


Fazno-kontrastna mikroskopija

Fazno-kontrastna mikroskopija je tehnika optičke mikroskopije koja pretvara fazne pomake u svjetlosti koja prolazi kroz prozirni uzorak u promjene svjetline na slici. Sami fazni pomaci su nevidljivi, ali postaju vidljivi kada se pokažu kao varijacije svjetline.

Kada svjetlosni valovi putuju kroz medij koji nije vakuum, interakcija sa medijem uzrokuje promjenu amplitude i faze vala na način koji ovisi o svojstvima medija. Promjene u amplitudi (svjetlini) proizlaze iz raspršenja i apsorpcije svjetlosti, koja često ovisi o valnoj duljini i može uzrokovati pojavu boja. Fotografska oprema i ljudsko oko osjetljivi su samo na varijacije amplitude. Bez posebnih dogovora, promjene faza su stoga nevidljive. Ipak, fazne promjene često prenose važne informacije.

Fazno-kontrastna mikroskopija osobito je važna u biologiji. Otkriva mnoge stanične strukture koje su nevidljive pomoću mikroskopa sa svijetlim poljem, kao što je prikazano na slici. Ove su strukture ranijim mikroskopistima postale vidljive bojenjem, no to je zahtijevalo dodatnu pripremu i smrt stanica. Mikroskop s faznim kontrastom biolozima je omogućio proučavanje živih stanica i njihovo razmnožavanje staničnom diobom. To je jedna od rijetkih dostupnih metoda za kvantificiranje stanične strukture i komponenti koje ne koriste fluorescenciju. [1] Nakon izuma početkom 1930-ih, [2] fazno-kontrastna mikroskopija pokazala se kao takav napredak u mikroskopiji da je njezin izumitelj Frits Zernike 1953. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. [3]

Temeljno načelo da se promjene u fazama učine vidljivim u fazno-kontrastnoj mikroskopiji je odvajanje osvjetljavajuće (pozadinske) svjetlosti od svjetlosti rasute po uzorcima (koja čini detalje u prvom planu) i različitim manipuliranjem njima.

Osvjetljavajuće svjetlo u obliku prstena (zeleno) koje prolazi kroz kondenzatorski otvor usredotočeno je na uzorak kondenzatorom. Dio osvjetljavajuće svjetlosti raspršen je uzorkom (žuto). Uzorak ne utječe na preostalo svjetlo i stvara pozadinsko svjetlo (crveno). Prilikom promatranja neobrađenog biološkog uzorka, raspršena svjetlost je slaba i obično se fazno pomiče za -90 ° (zbog tipične debljine uzoraka i razlike indeksa loma između biološkog tkiva i okolnog medija) u odnosu na pozadinsko svjetlo. To dovodi do toga da prednji plan (plavi vektor) i pozadina (crveni vektor) imaju gotovo isti intenzitet, što rezultira niskim kontrastom slike.

U fazno-kontrastnom mikroskopu kontrast slike povećava se na dva načina: stvaranjem konstruktivnih smetnji između raspršenih i pozadinskih svjetlosnih zraka u područjima vidnog polja koja sadrže uzorak i smanjenjem količine pozadinskog svjetla koje doseže ravninu slike . Prvo, pozadinsko svjetlo je fazno pomaknuto za -90 ° propuštanjem kroz prsten s faznim pomakom, što eliminira faznu razliku između pozadine i raspršenih svjetlosnih zraka.

Kad se svjetlo zatim usredotoči na ravninu slike (gdje se nalazi kamera ili okular), ovaj fazni pomak uzrokuje da pozadinske i raspršene svjetlosne zrake koje potječu iz područja vidnog polja koje sadrže uzorak (tj. Prednji plan) konstruktivno ometaju , što je rezultiralo povećanjem svjetline ovih područja u usporedbi s regijama koje ne sadrže uzorak. Konačno, pozadina je zatamnjena

70-90% sivim filtarskim prstenom ova metoda povećava količinu raspršene svjetlosti koju stvara osvjetljenje (tj. Pozadinsko) svjetlo, dok minimizira količinu svjetlosnog svjetla koja doseže ravninu slike. Dio raspršenog svjetla koje osvjetljava cijelu površinu filtra prstenovi će biti pomaknuti u fazi i prigušeni, ali u znatno manjoj mjeri od pozadinskog svjetla koje osvjetljava samo fazne pomake i sive prstenove filtera.

Gore opisano negativni fazni kontrast. U svom pozitivan U suprotnom se pozadinsko svjetlo fazno pomiče za +90 °. Pozadinsko svjetlo će tako biti 180 ° izvan faze u odnosu na raspršeno svjetlo. Raspršeno svjetlo tada će se oduzeti od pozadinskog svjetla kako bi se dobila slika s tamnijim prednjim planom i svjetlijom pozadinom, kao što je prikazano na prvoj slici. [4] [5] [6]


Saopćenje za javnost

Kako znamo gdje smo? Kako možemo pronaći put s jednog mjesta na drugo? I kako možemo pohraniti te podatke na takav način da odmah možemo pronaći put sljedeći put kada pratimo isti put? Ovogodišnji nobelovci otkrili su sustav pozicioniranja, unutarnji GPS ” u mozgu koji omogućuje orijentiranje u svemiru, pokazujući staničnu osnovu za veće kognitivne funkcije.

1971. godine John O ’Keefe otkrio je prvu komponentu ovog sustava pozicioniranja. Otkrio je da se jedna vrsta živčanih stanica u području mozga naziva hipokampus koja se uvijek aktivirala kad je štakor bio na određenom mjestu u prostoriji. Druge živčane stanice aktivirale su se kad je štakor bio na drugim mjestima. O ’Keefe je zaključio da su te ćelije “mjesta ” tvorile kartu sobe.

Više od tri desetljeća kasnije, 2005., May-Britt i Edvard Moser otkrili su još jednu ključnu komponentu moždanog sustava pozicioniranja. Identificirali su drugu vrstu živčanih stanica, koju su nazvali “mrežne stanice ”, koja generira koordinatni sustav i omogućuje precizno pozicioniranje i traženje puta. Njihovo kasnije istraživanje pokazalo je kako ćelije mjesta i rešetke omogućuju određivanje položaja i navigaciju.

Otkrića Johna O ’Keefea, May-Britt Moser i Edvarda Mosera riješila su problem koji već stoljećima zaokuplja filozofe i znanstvenike-kako mozak stvara kartu prostora koji nas okružuje i kako se možemo kretati kroz kompleks okoliš?

Kako doživljavamo svoju okolinu?

Osjećaj mjesta i sposobnost navigacije temelj su našeg postojanja. Osjećaj mjesta daje percepciju položaja u okruženju. Tijekom navigacije, ona je povezana s osjećajem udaljenosti koji se temelji na kretanju i poznavanju prethodnih položaja.

Pitanja o mjestu i navigaciji dugo su se bavila filozofima i znanstvenicima. Prije više od 200 godina njemački filozof Immanuel Kant tvrdio je da neke mentalne sposobnosti postoje kao apriorno znanje, neovisno o iskustvu. Smatrao je koncept prostora ugrađenim principom uma, putem kojeg svijet jest i mora se percipirati. Pojavom bihevioralne psihologije sredinom 20. stoljeća, ova bi se pitanja mogla eksperimentalno riješiti. Kad je Edward Tolman pregledao štakore koji su se kretali labirintima, otkrio je da mogu naučiti navigirati i predložio im je da im "kognitivna karta" formirana u mozgu omogući snalaženje. No, pitanja su i dalje trajala – kako bi takva karta bila predstavljena u mozgu?

John O ’Keefe i mjesto u svemiru

John O ’Keefe bio je fasciniran problemom kako mozak kontrolira ponašanje i odlučio je, krajem 1960 -ih, napasti ovo pitanje neurofiziološkim metodama. Prilikom snimanja signala iz pojedinih živčanih stanica u dijelu mozga zvanom hipokampus, kod štakora se slobodno kretao u prostoriji, O ’Keefe je otkrio da su određene živčane stanice aktivirane kada je životinja zauzela određeno mjesto u okolišu (slika 1). Mogao je pokazati da te ćelije s mjesta ne bilježe samo vizualni unos, već grade unutarnju kartu okoliša. O ’Keefe zaključio je da hipokampus generira brojne karte, predstavljene kolektivnom aktivnošću stanica mjesta koje se aktiviraju u različitim okruženjima. Stoga se sjećanje na okruženje može pohraniti kao specifična kombinacija aktivnosti stanica mjesta u hipokampusu.

May-Britt i Edvard Moser pronalaze koordinate

May-Britt i Edvard Moser mapirali su veze s hipokampusom kod štakora koji su se kretali u prostoriji kada su otkrili zapanjujući obrazac aktivnosti u obližnjem dijelu mozga koji se naziva entorhinalna kora. Ovdje su se određene stanice aktivirale kada je štakor prošao više mjesta poredanih u šesterokutnu rešetku (slika 2). Svaka od ovih ćelija aktivirana je u jedinstvenom prostornom uzorku i zajedno ove “mrežne ćelije ” tvore koordinatni sustav koji omogućuje prostornu navigaciju. Zajedno s drugim stanicama entorhinalnog korteksa koje prepoznaju smjer glave i rub prostorije, tvore sklopove s mjestima stanica u hipokampusu. Ovo kolo čini sveobuhvatni sustav pozicioniranja, unutarnji GPS, u mozgu (slika 3).

Mjesto za karte u ljudskom mozgu

Nedavna istraživanja s tehnikama snimanja mozga, kao i studije pacijenata podvrgnutih neurokirurgiji, donijele su dokaze da mjesto i rešetkaste stanice postoje i kod ljudi. U pacijenata s Alzheimerovom bolešću, hipokampus i entorhinalni korteks često su zahvaćeni u ranoj fazi, a ti pojedinci često gube put i ne mogu prepoznati okoliš. Znanje o sustavu za pozicioniranje mozga može nam, dakle, pomoći razumjeti mehanizam koji podupire razarajući gubitak prostornog pamćenja koji pogađa ljude s ovom bolešću.

Otkriće moždanog sustava za pozicioniranje mozga predstavlja promjenu paradigme u našem razumijevanju načina na koji ansambli specijaliziranih stanica rade zajedno na izvršavanju viših kognitivnih funkcija. Otvorio je nove putove za razumijevanje drugih kognitivnih procesa, poput pamćenja, razmišljanja i planiranja.

Ključne publikacije:

O ’Keefe, J. i Dostrovsky, J. (1971.). Hipokampus kao prostorna karta. Preliminarni dokazi o aktivnosti jedinice na štakoru koji se slobodno kreće. Istraživanje mozga 34, 171-175.

O ’Keefe, J. (1976). Postavite jedinice u hipokampus štakora koji se slobodno kreće. Eksperimentalna neurologija 51, 78-109.

Fyhn, M., Molden, S., Witter, M.P., Moser, E.I., Moser, M.B. (2004) Prostorni prikaz u entorhinalnoj kori. Znanost 305, 1258-1264.

Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.B. i Moser, E.I. (2005). Mikrostruktura prostorne karte u entorhinalnoj kori. Priroda 436, 801-806.

Sargolini, F., Fyhn, M., Hafting, T., McNaughton, B.L., Witter, M.P., Moser, M.B., i Moser, E.I. (2006.). Konjunktivni prikaz položaja, smjera i brzine u entorhinalnoj kori. Znanost 312, 758-762.

John O ’Keefe rođen je 1939. u New Yorku, SAD, i ima američko i britansko državljanstvo. Doktorirao je fiziološku psihologiju na Sveučilištu McGill u Kanadi 1967. Nakon toga preselio se u Englesku na postdoktorsko usavršavanje na University College London. On je ostao na Sveučilišnom koledžu, a 1987. godine imenovan je profesorom kognitivne neuroznanosti. John O ’Keefe trenutačno je direktor Sainsbury Wellcome Centra za neuronske sklopove i ponašanje na Sveučilištu College London.

May-Britt Moser rođen je u Fosnavågu u Norveškoj 1963. godine i državljanin je Norveške. Studirala je psihologiju na Sveučilištu u Oslu zajedno sa svojim budućim suprugom i su-laureatom Edvardom Moserom. Doktorirala je. doktorirala je na neurofiziologiji 1995. Bila je postdoktorandica na Sveučilištu u Edinburghu, a zatim je bila gostujuća znanstvenica na University College London prije nego što se 1996. preselila na Norveško sveučilište znanosti i tehnologije u Trondheimu. May-Britt Moser imenovana je profesoricom neuroznanosti 2000. godine. i trenutno je direktor Centra za neuronsko računanje u Trondheimu.

Edvard I. Moser rođen je 1962. u Ålesundu u Norveškoj i ima norveško državljanstvo. Doktorirao je. doktorirao je neurofiziologiju na Sveučilištu u Oslu 1995. Bio je postdoktorand zajedno sa suprugom i koautoricom May -Britt Moser, prvo na Sveučilištu u Edinburghu, a kasnije gostujući znanstvenik u laboratoriju John O ’Keefe ’s u Londonu. 1996. preselili su se na Norveško sveučilište znanosti i tehnologije u Trondheimu, gdje je Edvard Moser postao profesor 1998. On je trenutno direktor Kavli instituta za sustavnu neuroznanost u Trondheimu.

Nobelova skupština, koju čini 50 profesora na Karolinskom institutu, dodjeljuje Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu. Njegov Nobelov odbor ocjenjuje nominacije. Od 1901. Nobelova nagrada dodjeljuje se znanstvenicima koji su došli do najvažnijih otkrića za dobrobit čovječanstva.

Nobel Prize® registrirani je zaštitni znak Nobelove zaklade

Da citiram ovaj odjeljak
MLA stil: Priopćenje za javnost. NobelPrize.org. Doseg Nobelove nagrade AB 2021. Pet. 25. lipnja 2021. & lttttps: //www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/press-release/>

Saznajte više

Nobelove nagrade 2020

Dvanaest laureata dobitnici su Nobelove nagrade 2020. za postignuća koja su donijela najveću korist čovječanstvu.

Njihov rad i otkrića kreću se od stvaranja crnih rupa i genetskih škara do napora u borbi protiv gladi i razvoju novih formata aukcija.


Savjeti o korijenu luka Mitoza

Većina stanica koje sam identificirao bila je u međufazi. 20 od 36 bilo je u međufazi, a 55,6% ih je bilo u međufazi. To je zato što većina stanica troši svoje vrijeme na rast i pripremu za reprodukciju.

2. Koji postotak je bio u mitozi?

Postotak stanica u mitozi bio je 44,5%. Ne brojite stanice u međufazi jer još nisu započele proces mitoze.

3. Koja faza mitoze traje najduže?

Faza mitoze koja traje najduže je međufaza jer to uključuje cijelo vrijeme odmora stanice, a zatim kada se priprema za ulazak u profazu.

4. Tijekom koje faze je jezgra vidljiva kao tamna mrlja?

Tijekom interfaze, stanica je vidljiva kao tamna mrlja jer je jezgra još uvijek netaknuta, a profaza još nije započela.

5. Kako možete prepoznati ćeliju u metafazi?

Ćelija u metafazi izgleda vrlo zanimljivo. Tada se kromosomi počinju poravnavati i ono što vidite izgleda kao tamne blago valovite linije sa strane stanice.

Sljedeće što smo učinili bilo je to što smo naučili kroz mrežne projekte primijenili na vrhove korijena luka. Gledali smo ih pod mikroskopom i prikupljali podatke gledajući skupinu stanica i brojeći količinu stanica u svakoj fazi.


Napredne informacije

Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu 2014. dodjeljuje se dr. Johnu M. O'Keefeu, dr. May-Britt Moser i dr. Edvardu I. Moseru za njihova otkrića živčanih stanica u mozgu koje omogućuju osjećaj mjesta i navigacije . Ova otkrića su revolucionarna i pružaju uvid u to kako su mentalne funkcije predstavljene u mozgu i kako mozak može izračunati složene kognitivne funkcije i ponašanje. Unutarnja karta okoliša i osjećaj mjesta potrebni su za prepoznavanje i pamćenje našeg okoliša i za navigaciju. Ova navigacijska sposobnost, koja zahtijeva integraciju multimodalnih osjetilnih informacija, izvođenja pokreta i memorijskih kapaciteta, jedna je od najsloženijih funkcija mozga. Rad laureata iz 2014. radikalno je promijenio naše razumijevanje ovih funkcija. John O’Keefe otkrio je stanice mjesta u hipokampusu koje signaliziraju položaj i mozgu pružaju kapacitet prostorne memorije. May-Britt Moser i Edvard I. Moser otkrili su u medijalnoj entorhinalnoj kori, području mozga uz hipokampus, mrežaste stanice koje mozgu pružaju unutarnji koordinatni sustav bitan za navigaciju. Zajedno, ćelije mjesta hipokampa i stanice entorhinalne rešetke tvore međusobno povezane mreže živčanih stanica koje su ključne za izračun prostornih karata i navigacijskih zadataka. Djelo Johna O'Keefea, May-Britt Moser i Edvarda Mosera dramatično je promijenilo naše razumijevanje načina na koji neuronske sklopove u mozgu izvode temeljne kognitivne funkcije i bacilo novo svjetlo na to kako se prostorna memorija može stvoriti.

Uvod

Osjećaj mjesta i sposobnost navigacije neke su od najosnovnijih funkcija mozga. Osjećaj mjesta daje percepciju položaja tijela u okolini i u odnosu na okolne predmete. Tijekom navigacije, ona je povezana s osjećajem udaljenosti i smjera koji se temelji na integraciji kretanja i poznavanju prethodnih položaja. Ovisimo o tim prostornim funkcijama za prepoznavanje i pamćenje okoline kako bismo pronašli svoj put.

Pitanja o tim temeljnim funkcijama mozga dugo su se bavila filozofima i znanstvenicima. Tijekom 18. stoljeća njemački filozof Immanuel Kant (1724.-1804.) Tvrdio je da neke mentalne sposobnosti postoje neovisno o iskustvu. Smatrao je percepciju mjesta jednom od tih urođenih sposobnosti kroz koje se vanjski svijet morao organizirati i percipirati.

Koncept prikaza mjesta u mozgu nalik karti zastupao je američki eksperimentalni psiholog Edward Tolman, koji je proučavao kako životinje uče navigirati (Tolman, 1948). Predložio je da životinje mogu iskusiti odnose između mjesta i događaja te da je istraživanje okoliša postupno rezultiralo formiranjem kognitivne karte koja je životinjama omogućila navigaciju i pronalaženje optimalnog puta kroz okoliš. S tog gledišta, kognitivne karte predstavljaju okruženje kao geštalt koji subjektu omogućuje da doživi sobu i krene.

Tolmanova se teorija protivila uvriježenom stavu među bihevioristima da se složeno ponašanje postiže lancima osjetilno-motornih odnosa odgovora.No nije riješeno gdje se u mozgu te funkcije mogu lokalizirati i kako mozak izračunava tako složeno ponašanje. Pojava tehnika snimanja iz stanica u mozgu životinja koje su se slobodno kretale u okolišu, pomoću kronično implantiranih mikro žica (Sturmwasser, 1958.), omogućila je pristupanje tim pitanjima.

Pronalaženje stanica mjesta

John O’Keefe imao je iskustvo u fiziološkoj psihologiji, radio je s Ronaldom Melzackom na Sveučilištu McGill prije nego što se preselio u laboratorij istraživača boli Patricka Wall na Sveučilištu u Londonu, gdje je počeo raditi na ponašanju životinja krajem 1960 -ih. Tamo je otkrio stanice mjesta pri snimanju s neurona u dorzalnoj pregradi hipokampusa, zvanoj CA1, zajedno s Dostrovskim, u štakora koji se slobodno kreću u ograničenom području (O ’Keefe i Dostrovsky, 1971.) (Slika 1).

Slika 1. Postavite ćelije. Desno je shematski prikaz štakora. Istaknut je hipokampus na kojem se nalaze stanice mjesta. Sivi kvadrat prikazuje otvoreno polje na koje se štakor kreće. Zapalite stanice kad životinja dosegne određeno mjesto u okolišu. Točke označavaju mjesto štakora u areni kada je ćelija mjesta aktivna. Stanice različitih mjesta u hipokampusu pale se na različitim mjestima u areni.

Uzorak paljenja ovih ćelija bio je potpuno neočekivan. Stanice mjesta bile su aktivne na način koji prije nije viđen ni za jednu stanicu u mozgu. Stanice na pojedinim mjestima bile su aktivne samo kada je životinja bila na određenom mjestu u okolišu, naime na svom mjestu. Sustavnom promjenom okoliša i ispitivanjem različitih teoretskih mogućnosti za stvaranje polja mjesta O'Keefe je pokazao da aktiviranje stanica mjesta ne odražava samo aktivnost u osjetnim neuronima, već da predstavlja složeni geštalt okoliša.

Stanice različitih mjesta mogle bi biti aktivne na različitim mjestima, a kombinacija aktivnosti na mnogim mjestima stvorila je unutarnju neuronsku kartu koja predstavlja određeno okruženje (O ’Keefe, 1976. O ’Keefe i Conway, 1978.). O’Keefe je zajedno s Nadelom zaključio da stanice mjesta daju mozgu sustav prostornih referentnih karata ili osjećaj mjesta (O ’Keefe i Nadel, 1978.). Pokazao je da hipokampus može sadržavati više karata predstavljenih kombinacijama aktivnosti na različitim mjestima stanica koje su bile aktivne u različito vrijeme u različitim okruženjima. Specifična serijska kombinacija ćelija aktivnog mjesta stoga može predstavljati jedinstveno okruženje, dok druge kombinacije predstavljaju druga okruženja. Kroz O'Keefeova otkrića, teorija kognitivnih karata našla je svoj prikaz u mozgu.

Preduvjet za O'Keefeove pokuse bio je razvoj odgovarajućih tehnika snimanja koje će se koristiti u životinjama koje se slobodno kreću. Iako je O’Keefe bio rani korisnik ovih tehnika, on nije bio prvi koji je snimao iz hipokampusa ili drugih živčanih stanica u netaknutih životinja (vidi O’Keefe i Nadel 1978.). Međutim, istraživači su uglavnom koristili ograničeni zadatak ponašanja ili stroge protokole odgovora-poticaja. Nasuprot tome, O'Keefe je zabilježio staničnu aktivnost tijekom prirodnog ponašanja, što mu je omogućilo da promatra jedinstvena polja mjesta i poveže neuronsku aktivnost u mjesnim stanicama kako bi predstavljao osjećaj mjesta.

U sljedećim pokusima O'Keefe je pokazao da ćelije mjesta mogu imati memorijske funkcije (O ’Keefe i Conway, 1978. O ’Keefe i Speakman, 1987.). Istodobno preuređivanje u mnogim mjestima stanica u različitim okruženjima nazvano je remapping i O’Keefe je pokazao da se preslikavanje uči, a nakon što se uspostavi, može biti stabilno tijekom vremena (Lever i sur., 2002.). Stanice mjesta stoga mogu pružiti staničnu podlogu za memorijske procese, gdje se memorija okoline može pohraniti kao specifične kombinacije stanica mjesta.

U početku je prijedlog da je hipokampus uključen u prostornu navigaciju naišao na određeni skepticizam. Međutim, kasnije je uvaženo da su otkriće stanica mjesta, minuciozna demonstracija da te stanice predstavljaju mentalnu kartu daleko od primarnog osjetilnog unosa, te prijedlog da hipokampus sadrži unutarnju kartu koja može pohraniti podatke o okolišu, bili su temeljni. O’Keefeovo otkriće potaknulo je veliki broj eksperimentalnih i teorijskih studija o tome kako su stanice mjesta uključene u generiranje prostornih informacija i u procese prostorne memorije. Opći je pojam iz ovih studija da je ključna funkcija ćelija mjesta stvaranje karte okoliša, iako pod određenim okolnostima mogu biti uključene i u mjerenje udaljenosti (Ravassard i sur., 2013.).

Od hipokampusa do rešetkastih stanica u entorhinalnoj kori

Tijekom 1980 -ih i 1990 -ih prevladavala je teorija da je formiranje polja mjesta nastalo unutar samog hipokampusa.

May-Britt Moser i Edvard Moser, koji su proučavali hipokampus, kako tijekom svog doktorskog rada u laboratoriju Per Andersen u Oslu, tako i nakon toga, kao gostujući znanstvenici u laboratoriju Richarda Morrisa u Edinburghu i laboratoriju Johna O'Keefea u Londonu, pitali su jesu li aktiviranje stanica može se generirati iz aktivnosti izvan hipokampusa. Glavni ulaz u hipokampus dolazi od strukture na dorzalnom rubu mozga štakora, entorhinalnog korteksa. Veliki dio izlaza iz entorhinalnog korteksa projicira se u zupčaste gurue u hipokampusu, koji se pak povezuju s regijom u hipokampusu zvanom CA3, a dalje s CA1 u leđnom hipokampusu. Zanimljivo je da je to isti dio mozga u kojem je John O'Keefe prvi pronašao mjesto stanica. Mosers su 2002. otkrili da odvajanje projekcija iz entorhinalnog korteksa kroz CA3 nije ukinulo polja mjesta CA1 (Brun i sur., 2002.). Ovi nalazi i spoznaja da je medijalni entorhinalni korteks također izravno i recipročno povezan s CA1 regijom, potaknuli su May-Britt Moser i Edvarda Mosera da u medijalnom entorhinalnom korteksu potraže stanice koje kodiraju mjesto. U prvom su istraživanju utvrdili, slično onome što su drugi pokazali, da medijalni entorhinalni korteks sadrži stanice koje dijele karakteristike s mjestima u hipokampusu (Fyhn i sur., 2004.). Međutim, u kasnijoj studiji koja je koristila veće susrete za kretanje životinja, otkrili su novi tip stanica, rešetkaste stanice, koje su imale neobična svojstva (Hafting et al., 2005).

Mrežne ćelije pokazale su zadivljujući uzorak paljenja. Bili su aktivni na više mjesta u otvorenoj kutiji koja je zajedno činila čvorove proširene šesterokutne mreže (Slika 2), slično šesterokutnom rasporedu rupa u košnici.

Slika 2. Mrežne ćelije. Stanice mreže nalaze se u entorhinalnom korteksu prikazanom plavom bojom. Jednostruka rešetkasta ćelija aktivira se kada životinja dosegne određena mjesta u areni. Ta su mjesta raspoređena u šesterokutnom uzorku.

Mrežne stanice na istom području medijalnog entorinalnog korteksa požara s istim razmakom i orijentacijom rešetke, ali različitim fazama, tako da zajedno pokrivaju svaku točku u okruženju.

Mosers su otkrili da udaljenost mrežnih polja varira u medijalnom entorhinalnom korteksu s najvećim poljima u ventralnom dijelu korteksa. Također su pokazali da formiranje mreže nije nastalo iz jednostavne transformacije osjetilnih ili motornih signala, već iz složene aktivnosti mreže.

Uzorak mreže prije nije viđen ni u jednoj moždanoj ćeliji! Mosers su zaključili da su ćelije rešetke dio navigacijskog ili integracijskog sustava puta. Mrežni sustav pružio je rješenje za mjerenje udaljenosti kretanja i dodao metriku prostornim kartama u hipokampusu.

Mosersi su nadalje pokazali da su rešetkaste stanice ugrađene u mrežu u medijalni entorhinalni korteks stanica usmjerenih prema glavi i graničnih stanica, a u mnogim slučajevima i stanice s kombiniranom funkcijom (Solstad i sur., 2008). Stanice usmjerene prema glavi prvi je put opisao James Ranck (1985.) u drugom dijelu mozga, u podgruku. Djeluju poput kompasa i aktivni su kada glava životinje pokaže u određenom smjeru. Granične stanice aktivne su u odnosu na zidove na koje životinja nailazi pri kretanju u zatvorenom okruženju (Solstad i sur., 2008 Savelli, i sur. 2008). Postojanje graničnih stanica predviđeno je teoretskim modeliranjem od strane O’Keefea i kolega (Hartley, et al. 2000). Mosers su pokazali da su rešetkaste ćelije, ćelije smjera glave i granične ćelije projicirane na stanice hipokampalnog mjesta (Zhang i sur. 2013). Koristeći snimke iz više rešetkastih stanica u različitim dijelovima entorhinalnog korteksa, Mosers su također pokazali da su rešetkaste stanice organizirane u funkcionalne module s različitim razmacima rešetki u rasponu od nekoliko centimetara do metara, pokrivajući tako mala do velika okruženja.

Mosersi su dalje istraživali odnos između rešetkastih stanica i ćelija mjesta u teoretskim modelima Solstad i sur., 2006.), eksperimentima lezija (Bonnevie i sur., 2013. Hafting i sur., 2008.) i u pokusima ponovnog preslikavanja (Fyhn i sur. 2007. ). Ove i druge studije Mosersa i O'Keefea, kao i druge, pokazale su da postoji recipročan utjecaj između stanica rešetke u medijalnom entorhinalnom korteksu i stanica u hipokampusu te da druge prostorno postavljene stanice u entorhinalnom korteksu , osobito granične ćelije (Slika 3), mogu pridonijeti stvaranju uzorka paljenja ćelija mjesta (Brandon i sur., 2011 Koenig i sur., 2011 Bush, Berry i Burgess, 2014, Bjerkness i sur. 2014).

Slika 3. Shema koja prikazuje rešetkaste stanice (plave) i stanice (žute) u entorhinalnoj kori i hipokampusu.

Mozerovo otkriće rešetkastih stanica, prostorno-metričkog koordinacijskog sustava i njihova identifikacija medijalnog entorhinalnog korteksa kao računskog centra za prostorno predstavljanje, proboj je koji otvara nove puteve za unaprjeđenje razumijevanja neuronskih mehanizama u osnovi prostorne kognitivne funkcije.

Mrežni i mrežni stanični sustavi nalaze se u mnogim vrstama sisavaca, uključujući ljude

Od početnog opisa mjesta i rešetkastih stanica u štakora i miševa, ti su tipovi stanica pronađeni i u drugih sisavaca (Killian i sur., 2012. Ulanovsky i sur., 2007. Yartsev i sur., 2011., 2013.). Ljudi imaju velike hipokampalno-entorinalne strukture mozga, a te su strukture dugo bile uključene u prostorno učenje i epizodno pamćenje (Squire, 2004). Brojne studije podržavaju ideju da ljudski mozak ima sustav prostornog kodiranja koji je sličan onom koji se nalazi u sisavaca koji nisu ljudi. Tako su istraživači pronašli stanice slične mjestima u hipokampusu (Ekstrom i sur., 2003. Jacobs i sur., 2010.) i rešetkaste stanice u entorhinalnoj kori (Jacobs i sur., 2013.) kada izravno snimaju iz živčanih stanica u ljudski mozak pacijenata s epilepsijom koji su podvrgnuti kirurškom pregledu. Korištenje funkcionalnog snimanja (fMRI). Doeller i sur. (2010) također su pružili potporu postojanju mrežastih stanica u entorhinalnom korteksu čovjeka.

Sličnost strukture hipokampal-entorhina kod svih sisavaca i prisutnost struktura nalik hipokampalu u ne-sisavaca kralježnjaka s navigacijskim sposobnostima upućuju na to da je sustav stanica s mrežom funkcionalan i robustan sustav koji se može očuvati u evoluciji kralježnjaka.

Važnost otkrića stanica mjesta i rešetkastih stanica za istraživanja u kognitivnoj neuroznanosti

Pojavljuje se nova tema da su stanice koje kodiraju mjesto u hipokampalnim strukturama uključene u pohranu i/ili preuzimanje prostornih sjećanja. Pedesetih godina prošlog stoljeća Scoville i Milner (1957.) objavili su svoje izvješće o pacijentu Henryju Molaisonu (HM), kojem su kirurški uklonjena dva hipokampusa radi liječenja epilepsije. Gubitak hipokampusa uzrokovao je ozbiljan nedostatak pamćenja, što je očito iz kliničkog zapažanja da HM nije bio u stanju kodirati nova sjećanja, dok je još uvijek mogao dohvatiti stara sjećanja. HM je izgubio ono što je kasnije nazvano epizodnim sjećanjem (Tulving i Markowitch 1998.), pozivajući se na našu sposobnost sjećanja na događaje koje sam doživio. Nema izravnih dokaza da stanice mjesta kodiraju epizodno pamćenje. Međutim, ćelije mjesta mogu kodirati ne samo za trenutačno prostorno mjesto, već i gdje je životinja upravo bila i kamo slijedi (Ferbinteanu i Shapiro, 2003.). Prošlost i sadašnjost također se mogu preklapati u vremenskim stanicama na mjestima kada se životinje brzo teleprenose između dva fizički različita okruženja (Jezek i sur., 2011). Kodiranje mjesta u prošlosti i sadašnjosti moglo bi omogućiti mozgu da se sjeti vremenski uređenih prikaza događaja, poput epizodnog sjećanja.

Nakon što je memorija kodirana, memorija prolazi daljnju konsolidaciju, npr. za vrijeme spavanja. Snimanje ansambla s više elektroda u usnulih životinja omogućilo je proučavanje kako se konsolidiraju sjećanja na prostorne rute postignute tijekom aktivne navigacije. Grupe stanica mjesta koje se aktiviraju u određenom slijedu tijekom ponašanja pokazuju isti slijed aktivacije u epizodama tijekom slijedećeg sna (Wilson i McNaughton, 1994). Ovo ponavljanje aktivnosti stanica mjesta tijekom spavanja može biti mehanizam konsolidacije memorije, gdje se memorija na kraju pohranjuje u kortikalne strukture.

Zajedno se aktivnost stanica mjesta može koristiti kako za definiranje položaja u okolišu u bilo kojem trenutku, tako i za sjećanje na prošla iskustva okoline. Možda su s tim poimanjem povezani zaključci da je hipokampus londonskih taksista, koji prolazi opsežnu obuku kako bi naučili kako se kretati između tisuća mjesta u gradu bez karte, porastao tijekom cijele godine obuke i da su taksisti nakon ovog trening je imao značajno veći volumen hipokampusa od kontrolnih ispitanika (Magurie i sur. 2000, Woollett i Maguire, 2011).

Značaj za ljude i medicinu

Poremećaji mozga najčešći su uzrok invaliditeta i unatoč velikom utjecaju na život ljudi i društvo, ne postoji učinkovit način za sprečavanje ili liječenje većine ovih poremećaja. Epizodično pamćenje utječe na nekoliko poremećaja mozga, uključujući demenciju i Alzheimerovu bolest. Bolje razumijevanje neuronskih mehanizama koji leže u osnovi prostorne memorije stoga je važno, a otkrića mjesta i rešetkastih stanica bili su veliki skok naprijed za napredak ovog nastojanja. O’Keefe i suradnici pokazali su na mišjem modelu Alzheimerove bolesti da je degradacija polja mjesta u korelaciji s pogoršanjem prostornog pamćenja životinja (Cacucci i sur., 2008). Ne postoji neposredan prijevod takvih rezultata u klinička istraživanja ili praksu. Međutim, hipokampalna formacija jedna je od prvih struktura zahvaćenih Alzheimerovom bolešću, a znanje o navigacijskom sustavu mozga moglo bi pomoći u razumijevanju kognitivnog pada vidljivog u pacijenata s ovom bolešću.

Zaključci

Otkrića mjesta i rešetkastih stanica Johna O’Keefea, May-Britt Moser i Edvarda I. Mosera predstavljaju promjenu paradigme u našem razumijevanju načina na koji ansambli specijaliziranih stanica rade zajedno na izvršavanju viših kognitivnih funkcija. Otkrića su duboko promicala nova istraživanja sa staničnim sustavima mreže i mjesta koja se sada nalaze u mnogim sisavcima, uključujući i ljude. Studije navigacijskog sustava otvorile su nove puteve za proučavanje načina na koji se kognitivni procesi računaju u mozgu.

Ole Kiehn i Hans Forssberg Karolinska Institutet

Dr. Ole Kiehn, dr. Med
Profesor neuroznanosti, Karolinski institut
Član Nobelovog odbora
Član Nobelove skupštine

Dr. Hans Forssberg, dr. Med
Profesor neuroznanosti, suradnik Instituta Karolinska
Član Nobelovog odbora
Član Nobelove skupštine

Ilustracije: Mattias Karlén

Navedena literatura

Bjerknes, T.L., Moser, E.I. i Moser, M.B. (2014). Prikaz geometrijskih granica kod štakora u razvoju. Neuron, 82(1), 71-78.

Bonnevie, T., Dunn, B., Fyhn, M., Hafting, T., Derdikman, D., Kubie, J.L., Roudi, Y., Moser, E.I., i Moser, M.B. (2013). Mrežne ćelije zahtijevaju pobudni pogon iz hipokampusa. Neuroznanost prirode 16, 309-317.

Brandon, M.P., Bogaard, A.R., Libby, C.P., Connerney, M.A., Gupta, K. i Hasselmo, M.E. (2011.). Smanjenje theta ritma odvaja prostornu periodičnost mrežnih stanica od usmjerenog ugađanja. Znanost 332, 595-599.

Brun, V. H., Otnass, M. K., Molden, S., Steffenach, H. A., Witter, M. P., Moser, M. B. i Moser,

E.I. (2002.). Postavite stanice i prepoznajte mjesto koje održava izravno sklop entorhinal-hipokampusa. Znanost 296, 2243-2246.

Grm. D., Barry, C., Burgess, N. (2014). Što mrežne ćelije pridonose aktiviranju ćelija mjesta? Trendovi u neuroznanosti, 37(3), 136-145

Cacucci, F., Yi, M., Wills, T.J., Chapman, P. i O´Keefe, J. (2008) Ispaljivanje stanica mjesta korelira s nedostatkom memorije i opterećenjem amiloidnim plakom u modelu miša Tg2576 Alzheimer. PNAS, 105, 7863-7868.

De Hoz, L. i Wood, E. R. (2006.). Razdvajanje prošlosti od sadašnjosti u aktivnosti stanica mjesta. Hipokampus, 16, 704-715.

Doeller, C.F., Barry, C. i Burgess, N. (2010). Dokazi za grid ćelije u ljudskoj memorijskoj mreži. Priroda 463, 657-661.

Ekstrom, A.D., Kahana, M.J., Caplan, J. B., Fields, T.A., Isham, E.A., Newman, E.L., i Fried, I. (2003.). Stanične mreže u osnovi ljudske prostorne navigacije. Priroda 425, 184-188.

Ferbinteanu, J. i Shapiro, M.L. (2003.). Prospektivno i retrospektivno kodiranje memorije u hipokampusu. Neuron, 40, 1227-1239.

Fyhn, M., Hafting, T., Treves, A., Moser, M. B. i Moser, E. I. (2007.). Ponovno preslikavanje hipokampusa i poravnanje rešetke u entorhinalnoj kori. Priroda 446, 190-194.

Fyhn, M., Molden, S., Witter, M.P., Moser, E.I., i Moser, M.B. (2004.). Prostorni prikaz u entorhinalnoj kori. Znanost 305, 1258-1264.

Hafting, T., Fyhn, M., Bonnevie, T., Moser, M. B. i Moser, E. I. (2008.). Hipokampus neovisna fazna precesija u ćelijama entorhinalne mreže. Priroda 453, 1248-1252.

Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.B. i Moser, E.I. (2005). Mikrostruktura prostorne karte u entorhinalnoj kori. Priroda 436, 801-806.

Hartley, T., Burgess, N., Lever, C., Cacucci, F. i O ’Keefe, J. (2000). Modeliranje polja mjesta u smislu kortikalnih ulaza u hipokampus. Hipokampus, 10(4), 369-379.

Jacobs, J., Kahana, M.J., Ekstrom, A.D., Mollison, M.V., i Fried, I. (2010.). Osjećaj smjera u ljudskom entorhinalnom korteksu. PNAS 107, 6487-6492.

Jacobs, J., Weidemann, CT, Miller, JF, Solway, A., Burke, JF, Wei, XX, Suthana, N., Sperling, MR, Sharan, AD, Fried, I., i Kahana, MJ (2013 ). Izravni zapisi neuronskih aktivnosti poput mreže u ljudskoj prostornoj navigaciji. Neuroznanost prirode, 6, 1188-1190.

Jezek, K., Henriksen, E.J., Treves, A., Moser, E.I., i Moser, M.B. (2011). Treperenje theta tempom između karata s mjestima stanica u hipokampusu. Priroda, 478, 246-249.

Killian, N.J., Jutras, M.J. i Buffalo, E.A. (2012). Karta vizualnog prostora u entorhinalnom korteksu primata. Priroda 491, 761-764.

Langston, R. F., Ainge, J. A., Couey, J. J., Canto, C. B., Bjerknes, T. L., Witter, M. P., Moser, E. I. i Moser, M. B. (2010.). Razvoj sustava prostornog predstavljanja kod štakora. Znanost 328, 1576-1580.

Lever, C., Wills, T., Cacucci, F., Burgess, N. i O ’Keefe, J. (2002). Dugotrajna plastičnost u predstavljanju geometrije okoliša hipokampalnih mjesnih stanica. Priroda 416, 90-94.

Maguire, E.A., Gadian, D.G., Johnsrude, I.S., Good, C.D., Ashburner, J., Frackowiak, R.S. i Frith C.D. (2000). Strukturne promjene povezane s navigacijom u hipokampima taksista. PNAS, 97(8), 4398-4403.

O ’Keefe, J. (1976). Postavite jedinice u hipokampus štakora koji se slobodno kreće. Eksperimentalna neurologija 51, 78-109.

O ’Keefe, J. i Conway, D.H. (1978). Hipokampal postavlja jedinice u štakora koji se slobodno kreće: zašto pucaju tamo gdje pucaju. Eksperimentalno istraživanje mozga 31, 573-590.

O ’Keefe, J. i Dostrovsky, J. (1971.). Hipokampus kao prostorna karta. Preliminarni dokazi o aktivnosti jedinice na štakoru koji se slobodno kreće. Istraživanje mozga 34, 171-175.

O ’Keefe, J. i Nadel, L. (1978). Hipokampus kao kognitivna karta (Oxford University Press).

O ’Keefe, J. i Speakman, A. (1987.). Aktivnost jedne jedinice u hipokampusu štakora tijekom zadatka prostorne memorije. Eksperimentalno istraživanje mozga 68, 1-27.

Ranck, J. B. (1985.). Stanice smjera glave u dubokom staničnom sloju leđnog presubiculuma u štakora koji se slobodno kreću. U Električnoj djelatnosti Archicortexa, C.V. G. Buzsáki, ur. (Budimpešta: Akademiai Kiado), str. 217-220.

Ravassard, P., Kees. A., Willers, B., Ho, D., Aharoni, D., Cushman, J., Aghajan, Z.M. i Mehta

M.R. (2013) Multisenzorna kontrola prostorno -vremenske selektivnosti hipokampusa. Znanost,

Sargolini, F., Fyhn, M., Hafting, T., McNaughton, B.L., Witter, M.P., Moser, M.B., i Moser, E.I. (2006.). Konjunktivni prikaz položaja, smjera i brzine u entorhinalnoj kori. Znanost 312, 758-762.

Savelli, F., Yoganarasimha, D i Knierim, J.J (2008). Utjecaj uklanjanja granica na prostorne prikaze medijalnog entorinalnog korteksa. Hipokampus, 18, 1270-1282.

Scoville, W.B., i Miller, B. (1957). Gubitak nedavnog pamćenja nakon bilateralnih lezija hipokampusa.

Časopis za neurokirurgiju i psihijatriju neurologije, 20, 11-21.

Solstad, T., Boccara, C.N., Kropff, E., Moser, M.B., i Moser, E.I. (2008.). Prikaz geometrijskih granica u entorhinalnoj kori. Znanost 322, 1865-1868.

Solstad, T., Moser, E.I., i Einevoll, G.T. (2006.). Od ćelija mreže do ćelija mjesta: matematički model. Hipokampus 16, 1026-1031.

Squire, L.R. (2004.). Memorijski sustavi mozga: kratka povijest i sadašnja perspektiva.

Neurobiologija učenja i pamćenja 82, 171-177.

Stensola, H., Stensola, T., Solstad, T., Froland, K., Moser, M. B. i Moser, E. I. (2012). Mapa entorhinalne mreže je diskretizirana. Priroda 492, 72-78.

Strumwasser, F. (1958). Dugotrajno snimanje neobuzdanih sisavaca s pojedinačnih neurona u mozgu. Znanost, 127, 469-670.

Tolman, E. C. (1948). Kognitivne karte kod štakora i muškaraca. Psihološki pregled, 55, 189-208.

Tulving, E. i Markowitsch, H. J. (1998). Epizodičko i deklarativno pamćenje: uloga hipokampusa. Hipokampus, 8, 198-204.

Ulanovsky, N. i Moss, C.F. (2007.). Hipokampalne stanične i mrežne aktivnosti u slobodno pokretnih eholocirajućih šišmiša. Nat Neurosci 10, 224-233.

Wilson, M.A., i McNaughton, B.L. (1994.). Ponovno aktiviranje sjećanja na ansambl hipokampusa tijekom sna. Znanost 265, 676-679.

Woollett K. i Maguire E.A. (2011). Stjecanje “znanja ” londonskog rasporeda pokreće strukturne promjene mozga. Trenutno. Biologija, 21(24), 2109-2114

Yartsev, M. M., i Ulanovsky, N. (2013). Prikaz trodimenzionalnog prostora u hipokampusu letećih šišmiša. Znanost 340, 367-372.

Yartsev, M. M., Witter, M.P., i Ulanovsky, N. (2011). Mrežne stanice bez theta oscilacija u entorhinalnom korteksu šišmiša. Priroda 479, 103-107.

Zhang, S.J., Ye, J., Miao, C., Tsao, A., Cerniauskas, I., Ledergerber, D., Moser, M. B. i Moser,

E.I. (2013). Optogenetska disekcija funkcionalne povezanosti entorhinal-hipokampusa. Znanost 340, (6128)232627.

Da citiram ovaj odjeljak
MLA stil: Napredne informacije. NobelPrize.org. Doseg Nobelove nagrade AB 2021. Pet. 25. lipnja 2021. & lttttps: //www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/advanced-information/>

Saznajte više

Nobelove nagrade 2020

Dvanaest laureata dobitnici su Nobelove nagrade 2020. za postignuća koja su donijela najveću korist čovječanstvu.

Njihov rad i otkrića kreću se od stvaranja crnih rupa i genetskih škara do napora u borbi protiv gladi i razvoju novih formata aukcija.


Rast bakterija: 4 glavne faze

Lag faza predstavlja razdoblje aktivnog rasta tijekom kojeg se bakterije pripremaju za reprodukciju, sintetiziraju DNA, različite inducibilne enzime i druge makromolekule potrebne za diobu stanica. Stoga tijekom ove faze može doći do povećanja veličine (volumena), ali ne i do povećanja broja stanica. Faza kašnjenja može trajati sat vremena ili više, a pred kraj te faze neke će se stanice udvostručiti ili utrostručiti.

Lag faza je neophodna prije početka diobe stanica zbog različitih razloga. Ako su stanice uzete iz stare kulture ili iz rashlađene kulture, moguće je da su stanice stare i osiromašene ATP -om, bitnim kofaktorima i ribosomima.

Ako se medij razlikuje od onog u kojem je prethodno rasla mikrobna populacija, stanicama bi bili potrebni novi enzimi za korištenje novih hranjivih tvari u mediju.

Međutim, te nedostatke stanice ispunjavaju tijekom faze zaostajanja. Dakle, faza kašnjenja općenito je dulja ako su stanice uzete iz stare ili rashlađene kulture. Nasuprot tome, ako se stanice uzmu iz mlade, snažno rastuće kulture (mikrobna populacija) i inokuliraju na svježi medij identičnog sastava, faza zaostajanja može biti kratka ili čak izostati.

2. Dnevnik ili faza eksponencijalnog rasta:

Bakterijske stanice pripremljene za diobu stanica tijekom faze zaostajanja sada ulaze u fazu log ili eksponencijalnu fazu rasta tijekom koje se stanice dijele maksimalnom brzinom, a vrijeme njihove generacije doseže minimum i ostaje konstantno.

Rast u ovoj fazi prilično je uravnotežen (tj. Svi se stanični sastojci sintetiziraju konstantnim međusobno brzinama) pa se, ujednačeno u kemijskim i fiziološkim svojstvima, kulture log log obično koriste u biokemijskim i fiziološkim studijama.

Budući da je vrijeme generiranja konstantno, logaritamska shema rasta tijekom log faze proizvodi gotovo ravnu liniju. Ta se faza naziva log faza jer se logaritam bakterijske mase linearno povećava s vremenom, a faza eksponencijalnog rasta jer se broj stanica povećava kao eksponencijalna funkcija od 2 n (tj. 2 1, 2 2, 2 3, 2 4, 2 5 i tako dalje).

Log faza predstavlja i vrijeme kada su bakterijske stanice metabolički najaktivnije, a u industrijskoj proizvodnji to je razdoblje najveće aktivnosti i učinkovitosti.

3. Stacionarna faza:

Budući da bakterije rastu u stalnom volumenu medija iz šaržne kulture i da se ne dodaju svježe hranjive tvari, rast bakterijske populacije na kraju prestaje, a krivulja rasta postaje vodoravna. Takva faza rasta bakterija postiže se na populacijskoj razini od oko 109 stanica po ml.

Prestanak rasta može biti posljedica iscrpljivanja dostupnih hranjivih tvari ili nakupljanja inhibicijskih krajnjih produkata metabolizma. Prestanak rasta također može biti posljedica O2 dostupnost, osobito u slučaju aeroba. Kisik nije jako topljiv i može se iscrpiti tako brzo da samo stanice na površini kulture mogu pronaći potrebnu koncentraciju kisika za odgovarajući rast.

Prije ili kasnije, bakterijske stanice počnu umirati, a broj takvih stanica uravnoteži broj novorođenih stanica, a bakterijska populacija se stabilizira. Ovo stanje rasta, tijekom kojeg ukupni broj održivih stanica ostaje konstantan zbog daljnjeg neto povećanja broja stanica, a stopa rasta je točno jednaka stopi smrtnosti, naziva se stacionarna faza.

Prijelaz između log i eksponencijalne i stacionarne faze uključuje razdoblje neuravnoteženog rasta tijekom kojeg se različite stanične komponente sintetiziraju nejednakom brzinom. Posljedično, stanice u stacionarnoj fazi imaju drugačiji kemijski sastav od onih u eksponencijalnoj fazi.

4. Faza smrti ili opadanja:

Nakon nekog vremena, broj umirućih stanica počinje premašivati ​​broj novorođenih stanica i tako se broj održivih bakterijskih stanica prisutnih u šaržnoj kulturi počinje smanjivati.

Ovo stanje predstavlja smrt faze opadanja koja se nastavlja sve dok se populacija ne smanji na mali dio otpornijih stanica ili može potpuno izumrijeti. Poput eksponencijalnog rasta, smrt je također eksponencijalna, ali inverzna, jer se broj održivih bakterijskih stanica eksponencijalno smanjuje.


4 RASPRAVA

Naši rezultati potvrđuju prosječne gubitke prinosa od 4,9% po zagrijavanju K i 5% po 10% smanjenja oborina kako su pregledali Challinor i sur. (2014.) i pokazuju da prilagodba sorte može pridonijeti povećanju globalne proizvodnje kalorija za sve istraživane scenarije. Za SSP5-8.5, prilagodba sorte mogla bi globalno nadoknaditi i nadmašiti dugoročne gubitke izazvane klimatskim promjenama. Prilagođavanje sorte minimizira negativne učinke porasta temperature na globalnoj razini, dok rast usjeva u isto vrijeme ima koristi od povišenog atmosferskog CO2 koncentracije. Rezultati sugeriraju da bi ublažavanje prema SSP1-2.6 moglo biti korisno za globalnu produktivnost usjeva (slika 1). U globalnom prosjeku, rezultati pokazuju da se trenutna globalna proizvodnja može osigurati do 2 K zagrijavanja vegetacijske sezone uz prilagodbu sorte pri konstantnom atmosferskom CO2 koncentracija. Povećanje temperature za više od 2 K zahtijevalo bi dodatne mjere, kao što je, na primjer, primjena dodatne vode za prilagođene sorte radi kompenzacije gubitaka u proizvodnji (slika 3).

U našoj eksperimentalnoj postavci usvajamo pristup koji su testirali Asseng i sur. (2015) za pšenicu kao glavne žitarice, te pretpostaviti da prilagođene sorte zahtijevaju veće toplinske jedinice zbog odgođene zrelosti kako bi povratile prethodno razdoblje uzgoja koje bi se skratilo bez prilagodbe sorti. Mi klasificiramo regije u klase vjerojatnosti kako bismo mogli odabrati prilagođene sorte među već postojećim sortama, na temelju današnje distribucije GDD -a. Iako razmatramo moguća ograničenja za premještanje sorti u druge regije, pristup možda ne odražava sve osobine specifične za usjeve koje bi bile potrebne za prijenos postojećih sorti u nove regije pod klimatskim promjenama. Međutim, pomaže ilustrirati koliko snažan potencijal prilagodbe vegetacijske sezone može ovisiti o potrebi za razvojem novih prilagođenih sorti. Rezultati sugeriraju da postojeće sorte usjeva pokrivaju širok spektar zahtjeva GDD -a koji su potrebni u budućnosti. Za niske razine zagrijavanja, kao što je SSP1-2.6, 85% globalnih obradivih površina može se opskrbiti prilagođenim sortama iz bazena trenutno postojećih sorti. S druge strane, 39% globalnih obradivih površina moglo bi zahtijevati nove sorte za SSP5-8.5. Za ta se područja mogu pružiti regionalne informacije o dugoročno potrebnim GDD-ima kako bi se omogućili ciljani dugoročni programi uzgoja (Boote i sur., 1996. Challinor i sur., 2016.).

Studije su pokazale da ukupni proces uzgoja, isporuke i usvajanja novih sorti može potrajati i do 30 godina (Challinor i sur., 2016.), što bi moglo dodatno ograničiti dostupnost novih sorti tijekom vremena. Međutim, novi pristupi i tehnologije, poput CRISPR-Cas9, ubrzanog uzgoja ili participativnog uzgoja biljaka, mogli bi ubrzati razvoj prilagođenih sorti u budućnosti (Fedoroff i sur., 2010. Garcia-Molina & Leister, 2020 Long i sur., 2020. 2015 Tester & Langridge, 2010). Naši rezultati pokazuju da bi čak i važne proizvodne regije mogle biti izložene velikom riziku da nove sorte ne budu dostupne jer su njihovi potrebni zahtjevi GDD -a na rubu ili izvan raspona zahtjeva GDD -a koji se primjećuju u sortama koje se danas uzgajaju globalno. Razvoj lokalno prilagođenih sorti zagrijavajućim klimatskim uvjetima osobito je važan za regije u kojima je poljoprivreda važan društveno -ekonomski čimbenik kako bi se izbjegle implikacije na lokalno gospodarstvo, zapošljavanje, društvo i kulturu.

Učinkovitost prilagodbe sorti općenito je niža u tropskim i sušnim regijama, gdje zemlje u razvoju imaju manje adaptivne kapacitete i brzo povećavaju potrebe za hranom. Različiti putevi razvoja i isporuke sjemena (Challinor i sur., 2016.) mogli bi poboljšati opskrbu prilagođenog i pristupačnog sjemena za zemlje u razvoju, a također su važne mjere za zatvaranje razlika u prinosima. Snažne regionalne razlike u učinkovitosti prilagodbe sorti koje se pokazuju u našim rezultatima, osim različitih sposobnosti i sposobnosti prilagodbe, mogle bi imati velike posljedice za buduće promjene u korištenju zemljišta, koje su usko povezane s trgovinskim tokovima i poljoprivrednim tržištima (Delzeit i sur., 2018. Ewert i sur., 2015. Robinson i sur., 2018.). Budući da će tržišne snage vjerojatno intenzivirati poljoprivrednu proizvodnju u područjima s odgovarajućim sortama i povoljnijim poljoprivrednim uvjetima (Nelson i sur., 2014.), globalni značaj žitnica mogao bi se povećati.

Ova se studija usredotočuje na dugoročne promjene proizvodnje koje bi mogle zakloniti akutnije ekstremne klimatske događaje. Studije također sugeriraju povećanje međugodišnje varijabilnosti prinosa (Challinor i sur., 2014.) što bi moglo smanjiti blagotvorne učinke prilagodbe sorte, jer prilagođene sorte možda neće biti prikladne ili korisne u ekstremnim godišnjim dobima, na primjer, zbog toplinskih valova ili sušnih događaja.

Buduće procjene prilagodbe sorti trebale bi razmotriti raspone prilagodbe, a ne istraživati ​​učinke potpune prilagodbe naspram nema prilagodbe. Osim prilagodbe sorte, mogu se primijeniti i druge mjere prilagodbe, poput promjene datuma sjetve (Waha i sur., 2012.), iskorištavanja potencijala duljih vegetacijskih razdoblja u regijama u kojima su vegetacijska razdoblja trenutno ograničena niskim temperaturama ili prelaska na različite usjeve korisne i treba ih zajedno istražiti u daljnjim studijama. Ovdje korišteno modeliranje ne uzima u obzir pomake u rokovima sjetve jer to nije bio dio eksperimentalnog protokola osnovnog skupa podataka (Franke, Müller, Elliott, Ruane, Jägermeyr, Balković i sur., 2020.). Pomicanje datuma sjetve i berbe u hladnija razdoblja moglo bi pridonijeti prilagodbi u regijama s dovoljnom temperaturnom amplitudom i pomoći u iskorištavanju bazena postojećih sorti za prilagodbu (Minoli i sur., 2019. Waha i sur., 2012.). Međutim, dostupnost vode i drugi čimbenici poput ograničenja plodoreda i rizika od ranih mrazeva mogli bi spriječiti takvu prilagodbu, ali bi se mogli istražiti u budućim studijama.

Također bi se moglo istražiti prebacivanje na različite usjeve kao mjeru prilagodbe, ali će zahtijevati razmatranje regionalnih preferencija potrošača i prilagodbe lanca opskrbe. Promjenom obrazaca korištenja zemljišta s zagrijavanjem klime moglo bi se poljoprivredno zemljište premjestiti u prikladnija, ali trenutno neobrađena područja, iako potencijalno na štetu prirodnih ekosustava i biološke raznolikosti (Mbow i sur., 2019. Zabel i sur., 2014., 2019.). Nasuprot tome, prilagodba sorti nudi priliku za povećanje otpornosti bez potrebe za promjenom namjene zemljišta ili premještanjem poljoprivrednih regija u prethodno neiskorištena područja (Morales-Castilla i sur., 2020.), čime se sprječavaju negativni utjecaji na bioraznolikost.

Za uspješnu adaptaciju potrebni su uzgojni napori specifični za regiju. Identificirane vruće točke za uzgoj usjeva ističu granice i izazove prilagodbe sorte. Mogli bi se smatrati ulazom u ekonomske modele za stvaranje pretpostavki specifičnih za SSP i regiju o prilagodbi sorte i njezinim ograničenjima. Premošćivanjem jaza između genotipizacije, fenotipizacije i parametara koji se koriste u modelima usjeva (Chenu i sur., 2017. Marshall-Colón & Kliebenstein, 2019. Marshall-Colon i sur., 2017. Peng i sur., 2017.), poljoprivrednici bi mogli imati koristi od digitalne platforme za odabir najprikladnijih sorti.


Potporne informacije

S1 Sl. Prostorno fazno kodirane stanice bile su teta-modulirane i teta-ritmične.

Prikazujemo distribucije pojedinačnih snimaka s neznatnim podacima o prostornoj fazi Jafaza (‘Nefazno kodiranje’, n.s., narančasta n = 840) ili značajno Jafaza („Fazno kodiranje“, str & lt 0,02, plavo n = 233 Metode). Nacrti za violinu prikazuju Gaussove procjene gustoće jezgre (koristeći Scottovo pravilo propusnosti) normalizirane prema veličini grupe za svaku podijeljenu dugačku crtu, medijane kratkih crtica, prvi/treći kvartil. (A) Snimci s faznim kodiranjem imali su maksimalne prostorne brzine okidanja (medijan, 7,35 šiljaka/s) koje su bile distribuirane više od snimki s faznim kodiranjem. (B) Procjene učestalosti praska temeljene na autokorelogramu (metode) bile su slične (medijan: fazno kodiranje, 7,66 s -1 nefazno kodiranje, 7,65), ali su snimci faznog kodiranja bili usko raspoređeni (interkvartilni raspon: 0,524) nego snimke bez faznog kodiranja (1.031). (C) Indeksi theta modulacije i ritmičnosti (metode) pokazuju da su snimci s faznim kodiranjem bili distribuirani više, no to je vjerojatno posljedica značajne subpopulacije niske ritmičnosti koja je evidentna u snimkama s faznim kodiranjem. Iscrtane trake prikazuju svaku fazno kodiranu podatkovnu točku. (D+E) Prostorno fazno kodirane stanice imale su široko raspodijeljene korelacije brzina-faza. (D) Jafaza za stanice koje kodiraju fazu (medijana, 0,36 bita) pozitivno je iskrivljena u širokom rasponu ([0,012, 3,67] bita). (E) Kružno-linearne regresije srednje faze na srednju brzinu na temelju piksela prostorne karte. Snimci bez faznog kodiranja distribuirani su oko nule. Koeficijent korelacije (lijevo) i ukupni fazni pomak (desne metode) pokazali su širu raspodjelu za fazno kodiranje od ćelija koje nisu kodirane fazom: Usporedite kvartile (kratke crtice) i deblje repove koji odražavaju višak negativnih i pozitivnih korelacija. Ukupni fazni pomak (desno) izračunat je normalizacijom brzine regresijskog nagiba (sredina).

S2 Slika Fazerske ćelije: Umjerene brzine ispaljivanja i stabilno prostorno kodiranje faza.

(A) Nacrti violine prikazuju distribucije koje uspoređuju snimke prostornog kodiranja faza (sa značajnim Jafaza) koji nisu odabrani ("nonphaser" n = 233) ili su odabrani ("phaser" n = 101) prema kriterijima fazne ćelije (vidi numerirani popis kriterija koji prethode slici 2 u rezultatima). (Lijevo) Maksimalne prostorne brzine okidanja za snimke fazerskih ćelija imale su značajno ograničen raspon (interkvartilni interval, [5.34, 9.86] s −1) u usporedbi s neofazerskim snimkama ([2.94, 20.4]). Imajte na umu da je minimalna brzina ispaljivanja od 3,5 šiljaka/s bila jedan od kriterija za faznu ćeliju, a y-osja skraćuje, radi jasnoće, nefazerske podatke koji su prikazani na S1 sl., ploča A. Promatrani raspon je razmjeran s aktivnošću koja se u prosjeku sastoji od 1 ili 2 šiljaka po theta ciklusu na theta frekvencijama od 5-12 Hz. Teoretski, manji broj šiljaka po theta ciklusu smanjuje donju granicu varijance faze šiljaka, što može povećati učinkovitost vremenskog kodiranja oscilatornom fazom. (Desno) Theta ritmičnost snimanja fazerskih stanica distribuirana je na sličan način, ali nešto niže od snimki nefazerskih stanica. (B) Phaserove stanice zabilježene tijekom više dana (n = 19) pokazala je značajnu stabilnost u svakodnevnim mjerenjima veličina kodiranja faza: prostorne informacije o fazi (lijevo) i ukupni pomak faze (desno). Veliki skokovi (ili mijenjanje znakova za fazne pomake) bili su relativno rijetki (3/19 stanica). Podaci o faznom pomaku (desno) osnova su za histogram faznog kodiranja unutar ćelije u parovima unutar stanice na slici 2E. Prikazuju se samo fazerski klasificirani zapisi za svaku ćeliju. Linije su označene bojom do jedinstvenih ćelija.

S3 Sl.Anatomska distribucija i prostorno -trajektorsko kodiranje snimki fazerskih ćelija.

(A) Brojevi jedinstveno identificiranih stanica s najmanje jednim negativnim ili pozitivnim zapisom klasificiranim prema fazi. (Lijevo) Raspodjela zabilježenih lokacija stanica fazera po područjima mozga. Hipp. = hipokampus Thal. = talamus Ostalo uključuje nucleus accumbens, jezgrdu jezgru i putamen. (Desno) Distribucija po mjestima za snimanje septuma. IG = indusium griseum LS = lateralni septum LSD = dorzalna jezgra lateralnog septuma LSI = srednja jezgra lateralnog septuma Ld = lambdoidna septalna zona SHi = jezgra septal-hipokampusa UNK = nepoznati gcc = genu corpus callosum. (B) Usporedba informacija o prostornoj fazi Jafaza s sadržajem informacija o skokovima (Metode [45]) za položaj ("informacije o prostornoj stopi" lijevo), smjer (sredina) i brzinu (desno). Većina ćelija fazera nosi jake podatke o prostornoj brzini (lijevo), a manji broj informacija relativno niskog smjera (sredina) ili brzine (desno). Zvijezde: hipokampalni (hipp.) Krugovi za snimanje: nehipokampalni (ne hipp.) Snimci isprekidane linije: paritetne čvrste linije: nagibi optimizirani po najmanjim kvadratima. (C) Indeksi modulacije brzine pucanja temeljeni na putanji (metode) otkrili su potencijalni izvor pristranosti u prostornim snimkama. Histogrami: indeksi modulacije za smjer (lijevo) i brzinu (desno), pozitivni podaci sastavljeni nad negativnim. Siva linija: procjena gustoće jezgre (Gaussova propusnost 0,05) snimki nefazerskih stanica (proizvoljna ljestvica za vizualnu usporedbu).

S4 Slika Regularizacijske krivulje i skupljanje koje se koriste za obuku GLM modela.

Obučavali smo GLM-ove za predviđanje broja skokova u intervalima od 300 ms na temelju prostornih (L, P, W) i/ili temeljene na putanji (S, D) varijable (Metode). Za analizu (slika 5B+5C S6 slika), model je obučen i testiran na 3 × 3 prostornoj mreži (C), međutim, parametar kazne koji se koristi za obuku izveden je optimizacijom modela na mreži 2 × 2 (B ). Obje su vrijednosti bile slične, ali je korištena vrijednost 2 × 2 (B, dolje) jer je vjerojatnost smjera bila jako visoka i model je bolje uhvatio reakcije zida jer je središnja rešetka modela 3 × 3 izolirana od zidova. GLM koji smo koristili za generiranje prostornih ulaza za realistične 2D simulacije na otvorenom polju obučavan je samo na prostornim varijablama (A, 1 × 1 mreža). (Gore) Apsolutne težine modela za svaku varijablu. (Drugi red) Softmax normalizacija apsolutnih težina modela. (Treći red) Greške u predviđanju broja bodova. (Posljednji red) Vjerojatnost modela je softmax W (A) ili D (B+C) podijeljeno s pogreškom predviđanja (jednadžbe (14) Metode). Maksimalna vjerojatnost α parametar (crveni krug) odabran je kao 2- kazna regularizacije za regresije grebena.

S5 Slika GLM rekonstrukcije karti stopa, na primjer usmjerene ćelije.

Kako bismo pokazali da bi model LQW-SD 3 × 3 mogao točno rekonstruirati karte brzina usmjerenih ćelija, prikazujemo primjere ćelija s homogenom (A) i nehomogenom (B) usmjerenošću. (A) Visoke maksimalne brzine paljenja i prostorna modulacija nalik polumjesecu ukazuju na to da su to možda bile ćelije za usmjeravanje glave ili ćelije s ulazima za smjer glave. Predviđači smjera (strelice) GLM-a bili su dosljedno veliki i dobro poravnati po presjecima mreže. (B) Snimci s nehomogenom usmjerenošću pokazali su minimalnu prostornu modulaciju, ali su uključivali usmjerenje prema sredini (lijevo) i u smjeru kazaljke na satu (u sredini) ili u smjeru suprotnom od kazaljke na satu (desno).

S6 Slika GLM ponderi i doprinosi za svako snimanje u faznoj ćeliji.

Ponderi GLM-a (A+B) i maksimalni doprinosi (C-E) za snimanje fazerskih ćelija prikazani su na matricama pseudoboja. Za vizualizaciju, snimke se prikazuju istim redoslijedom u svakom presjeku mreže i prosjeku mreže prema očekivanoj vrijednosti težina modela ćelije u prosjeku s lijeve strane (prema L, tj. prostornije) ili desno (prema D, tj. više vezano uz putanju). Kako bi se otkrila struktura modela, svaki varijabilni redak u odjeljku mreže normaliziran je zbrojem, a upareni grafikoni mreže (A+B, C+D) dijele ljestvice boja. (E) Prosjeci doprinosa iz (D) prikazani su prema podtipu ćelije fazera: negativno (lijevo) i pozitivno (desno). Dva podtipa pokazala su kvalitativno slične inverzne obrasce prostornih (L, P) u odnosu na brzinu (S) doprinosi otpuštanju.

S7 Sl. Model ciljanog neurona s bučnim teta-raspadanjem: Sinkronizacija impulsa.

Unutarnji model rasipanja (jednadžba (11) [51]) podešen je s konstantnim ulazom (tablica 4) za aktiviranje duple rafala (A) blizu referentne theta frekvencije, 7,5 Hz. Odstupanje između referentne frekvencije i rezultirajuće brzine rafalnog snimanja, 7,519 rafala/s, značilo je da je theta faza (B) jedinice s vremenom polako odmicala (prethodila) (siva linija). Kako bismo provjerili može li se ova jedinica fazno sinkronizirati periodičnom stimulacijom, simulirali smo trenutni impuls (V.V.+ 15mV) svaki drugi theta ciklus na theta vrhuncu (0 radijana). Ova impulsno sinkronizirana jedinica (B, narančasta linija) monotono je odgađala prema theta vrhuncu, a zatim je (otprilike 5 s nakon simulacije) diskontinuirano preskakala kraj theta vrha prije nego što je polako precesirala neposredno prije vrha. Ta se dinamika skakanja naprijed i pretstupanja natrag ponovila (oko 9 s) i nastavila stereotipno. Ovaj uzorak pile inkapsulirao je dinamiku theta-sinkronizacije modela. Za simulacije s faznim mrežnim ulazom, ovom modelu ‘target burster’ dodali smo stohastičku ulaznu struju (jednadžba (11)). Odabrali smo razinu buke (tablica 4) koja je sačuvala theta rasprsnuće (C, isto kao i slika 7C, umetnuta), ali je uzrokovala da se njezina rafalna faza nasumično pomakne tijekom simulacije od 30 sekundi (D, sive točke, 36 pokusa). Uz buku, impulsna stimulacija uspjela je reproducirati pilasti uzorak sinkronizacije (D, narančasta linija).

S8 Slika 1D Unos fazerske mete preko razina buke i ulaza faza.

Prikazujemo dodatne 1-satne simulacije 1D mreže faza-meta prikazanih na slici 7F+7G. (A) S fiksnim ulaznim pojačanjem od faza (Tablica 4), simulacije s 0,0σ, 0.1σ, 0.3σ, i 0,5σ razine buke pokazale su da su nadzirani načini umjetnog faznog koda ostali funkcionalni na različitim razinama buke. (B) S razinom buke fiksiranom na 0,3σ, učinak nultog pojačanja ulaznog fazera (gore lijevo) može se usporediti sa slabijim (gore desno) i jačim (dolje desno) razinama fazerskog ulaza. Slab fazerski ulaz (gore desno) obuhvatio je ciljni rang, ali su fazne putanje produžene zbog sporijeg razvoja zaključavanja faza na prilazima prema položajima 0 ili 1.

S9 Slika Generativni uzorci modela LQW-faza u simulacijama na otvorenom polju.

(A) Parovi karti stopa/fazne karte prikazani su za 50/1.000 negativnih faza iz realističnih 2D simulacija na otvorenom polju (slika 8). Brzina i fazni odziv svakog Phasera upravljani su slučajno uzorkovanom prostornom funkcijom iz generativnog ulaznog modela LQW (S10 Sl., Ploča A). U faznim kartama imajte na umu da su fazeri napredovali od pred-theta-peak (zelena, vidi kotačić boja faznog vektora na dnu) do theta-through (ružičasta) iz regija niske do visoke brzine. Nedostajući pikseli fazne karte odražavaju nedovoljan broj obližnjih šiljaka za prostorno usrednjavanje. (B) Parovi karti stopa/mape faza prikazani su za 50/1.000 pozitivnih faza. Brzina i fazni odziv svakog Phasera pogonjeni su theta uzbudom i inhibicijom unaprijed iz negativnog fazera s LQW-generiranim prostornim ulazom (A). U faznim kartama imajte na umu da su fazori odgodili od theta vrha (zeleno) do polovice faze pada (plavi/zeleni π/2 radijana). Poput 1D modela (slika 6) i snimanja fazerskih ćelija (slika 4), pozitivna brzinsko-fazna sprega bila je slabija od negativne.

S10 Sl. Bayesovo dekodiranje faze rafala cilja iz simulacija na otvorenom polju.

Simulirane su realne 2D simulacije fazera i ciljnih neurona te je dekodirana eksplozivna aktivnost ciljnih neurona kako bi se procijenila korekcija pogreške položaja (metode). (A) Ilustrirani su koraci za uzorkovanje prostornih ulaznih funkcija iz generativnog modela za negativne fazore (metode). Slijeva nadesno: Snimanje ćelija Phasera (primjeri sa slike 4A) naučeno je modelom 1 × 1 LQW (jednadžba (3)), a njihove linearne funkcije prediktora normalizirane su na [0, 1] sa sigmoidnom nelinearnošću. Za generiranje novog prostornog unosa nasumično smo odabrali jednu od ovih normaliziranih prostornih funkcija, dodali 20% Gaussove buke parametrima LQW i nasumično zarotirali koordinatni okvir. (B) Ciljne mreže bile su jednostavne zbirke ciljnih jedinica. Zbirka prstena ciljnih pojačavača varirala je po faznim pomacima (narančasta), zbirke faze 1 i faze 2 varirale su u željenom smjeru na suprotnim pomacima faze (plava i zelena). (C) Normalizirani vremenski autokorelogrami pogreške dekodiranja za zbirke u punoj veličini (64 jedinice u svakoj zbirci 192 jedinice za kombinaciju svih zbirki). Širina korelacije pokazuje vremensku skalu ispravljanja grešaka, koja je kvantificirana kao vremenska skala HWHM na slici 8H (Metode).

S1 film. Konkurentni 2D fazerski zahvat na otvorenom polju kroz pomake prostornih faza.

Prostorni fazni kodovi na slici 8B razlikovali su se prema referentnom faznom pomaku faznog koda sličnog VCO. Ovdje prikazujemo film u kojem kadrovi ponavljaju kroz 64 jedinice u Ring kolekciji ciljanih napadača (S10 sl., Ploča B, narančasta) koji su simulirani s ponašanjem od 600 s. Kod nadzirane faze (gore lijevo) glatko se pomiče duž dijagonale 45 ° tijekom cijelog ciklusa, omogućujući ponavljanje videozapisa. Široka negativna/pozitivna (ružičasta/plava) područja sinkronizacije natjecala su se u kodiranju okoliša za svakog od različitih ciljnih napadača u zbirci. (gore desno) Distribucija svemirske faze ukupnog ulaza fazerske mreže u ciljni skup. (dolje lijevo) Karta faze burst izlaznih ciljeva burstera.

S2 film. Konkurentni 2D fazerski zahvat na otvorenom polju u željenom smjeru: 1. faza.

Prostorni kodovi faza na slici 8B imaju smjer 45 °, koji određuje kutnu orijentaciju faznog koda sličnog VCO. Ovdje prikazujemo film u kojem kadrovi ponavljaju kroz 64 jedinice u Fazi 1 zbirke ciljnih napadača (S10 sl., Ploča B, plava) koji su simulirani s ponašanjem od 600 s. Kod nadzirane faze (gore lijevo) glatko se okreće tijekom cijelog ciklusa, dopuštajući da se videozapis petlja. S ovim pomakom faze (0,0, u središtu arene), negativni fazori sinkronizirali su granično područje (naranče/ružičaste) duž željenog smjera. (gore desno) Distribucija svemirske faze ukupnog ulaza fazerske mreže u ciljni skup. (dolje lijevo) Karta faze burst izlaznih ciljeva burstera.

S3 film. Konkurentni 2D fazerski zahvat na otvorenom polju u željenom smjeru: 2. faza.

Prostorni fazni kodovi na slici 8B imaju smjer 45 °, koji određuje kutnu orijentaciju faznog koda sličnog VCO. Ovdje prikazujemo film u kojem kadrovi prolaze kroz 64 jedinice u Fazi 2 zbirke ciljnih napadača (S10 sl., Ploča B, zelena) koji su simulirani s ponašanjem od 600 s. Kod nadzirane faze (gore lijevo) glatko se okreće tijekom cijelog ciklusa, dopuštajući da se videozapis petlja. S ovim pomakom faze (π, u središtu arene), pozitivni fazori sinkronizirali su granično područje (plavo/zeleno) duž željenog smjera. (gore desno) Distribucija svemirske faze ukupnog ulaza fazerske mreže u ciljni skup. (dolje lijevo) Karta faze burst izlaznih ciljeva burstera.


III. KULTURNE BAKTERIJE

A. Metode dobivanja čistih kultura (kultura koja sadrži samo 1 vrstu organizma)

1. Metoda pločaste ploče – Bakterije se skupljaju na sterilnoj žičanoj petlji, a žica se lagano pomiče duž površine agara, taložeći pruge bakterija na površini. Petlja je zapaljena i nekoliko bakterija se pokupi iz regije koja je već bila taložena i razbacana na novu regiju. Sve se manje bakterija taloži kako se niz nastavlja, a petlja se pali nakon svakog pruganja. Pojedinačni organizmi (pojedinačne stanice) deponirani su u posljednjoj prugastoj regiji. Nakon što se ploča inkubira na odgovarajućoj temperaturi rasta za organizam, pojavljuju se male kolonije (svaka izvedena iz jedne bakterijske stanice). Petlja se koristi za prikupljanje dijela izolirane kolonije i prijenos na drugi medij za proučavanje. Korištenje aseptičke tehnike osigurava da će novi medij sadržavati organizme jedne vrste. To ćemo učiniti u laboratoriju.


Rezultati i rasprava

Opći obrasci ekspresije gena

Ukupno 540 cDNA klonova identificirano je kao različito izraženo filtriranjem podataka tako da uključi cDNA klonove koji su promijenili razinu ekspresije barem dvostruko u usporedbi s odgovarajućim referentnim uzorkom u najmanje 1 vremenskoj točki (slike 3, 4, 5). Za većinu transkripata za koje je ustanovljeno da reagiraju na temperaturu, pomaci u ekspresiji gena bili su tipično između dvo- i četverostrukih promjena, iako su neki transkripti (npr. Transkripti koji kodiraju za protein visoke skupine B1 i HMG-CoA sintazu) doživjeli šest do deseterostruke promjene u relativnom obilju. Korištenje proizvoljnog dvostrukog graničnog kriterija vjerojatno je konzervativan pristup identifikaciji gena čija se razina ekspresije mijenja, jer fiziološki važni učinci mogu proizaći iz pomaka u ekspresiji gena koji su manji od dva puta. Ovaj konzervativni pristup usvojili smo zbog izazova s ​​kojima se susrećemo pri projektiranju eksperimenata s vremenskim serijama ove prirode koji se mogu podvrgnuti konvencionalnoj statističkoj analizi. U osmišljavanju ovih eksperimenata, koji su uključivali uzorkovanje u mnogim vremenskim točkama, nismo imali apriorno osnova za predviđanje vremena uzorkovanja u kojem će promjene u ekspresiji gena biti najveće. Stoga smo morali postići kompromis između prikupljanja podataka u velikom broju vremenskih točaka s potrebom za velikim veličinama uzorka u svakoj vremenskoj točki. Utvrdili smo da bi, iako naš dizajn isključuje provođenje statističkih analiza u svim vremenskim točkama, da su prisutni vremenski ovisni trendovi, oni bili jasno prikazani u podacima, što smo zapravo opazili i raspravljali u nastavku. U ovom istraživačkom istraživanju, dakle, raspravljamo o obrascima u ekspresiji gena koji odražavaju različite vremenske reakcije, kako u biciklističkim uvjetima, tako i u uvjetima stabilizacije, ali se suzdržavamo od pozivanja na te obrasce kao statistički značajne. Usprkos tome, vremenske promjene u ekspresiji gena o kojima govorimo (na primjer, one za čiju ekspresiju korelira s dnevnim ciklusom temperature vidi sliku 4) pokazuju pravilnost koja se ne može lako objasniti jednostavno zbog buke u podacima. Ti cDNA klonovi predstavljaju gene uključene u širok spektar staničnih i organizamskih funkcija (slika 5). U raspravi o ovim različito izraženim genima prvo dajemo općenit pregled toplinskih učinaka na ekspresiju gena, a zatim ispitujemo specifične fiziološke sustave koji izgledaju kao da najviše reagiraju na temperaturu u stacionarnom stanju ili u uvjetima ciklusa.

Geni s cikličkim uzorkom ekspresije kao odgovor na temperaturne fluktuacije. Profili ekspresije gena organizirani su prema faznom pomaku u odnosu na temperaturni ciklus u promjenjivoj temperaturnoj aklimaciji. Svaki skup faznih pomaka organiziran je s potpunim algoritmom povezivanja (Peterson, necentrirani Eisen i sur., 1998.). Svaki redak predstavlja jedan klon cDNA, a svaki stupac vremensku točku u tijeku aklimatizacije. Oko 40% 540 cDNA klonova koji su različito eksprimirani imaju ciklički obrazac ekspresije kao odgovor na temperaturni ciklus kako je određeno unakrsnom korelacijskom analizom. Za kontrolne dnevne cikluse (26 ° C) i konstantno prilagođavanje na 20 ° C i 37 ° C, obrasci izražavanja ispravljaju se u odnosu na t= 0. Za obradu fluktuirajuće temperature, podaci su prikazani u odnosu na t= 0, kao i sa oduzetim cirkadijalnim ritmovima (s oznakom `Učinak temperature '). Profili temperature bicikla predstavljeni s oduzetim dnevnim ritmovima imat će obrazac ekspresije blizu omjera 1: 1 s kontrolama ako postoji zanemariv utjecaj temperature na ekspresiju gena (pogledajte Materijali i metode za proširenu raspravu). Slova na desnoj margini slike odgovaraju linijskim grafovima prikazanim na slici 4. Za neciklične obrasce ekspresije gena vidi dopunsku sliku 1.

Geni s cikličkim uzorkom ekspresije kao odgovor na temperaturne fluktuacije. Profili ekspresije gena organizirani su prema faznom pomaku u odnosu na temperaturni ciklus u promjenjivoj temperaturnoj aklimaciji. Svaki skup faznih pomaka bio je organiziran s potpunim algoritmom povezivanja (Peterson, necentrirani Eisen i sur., 1998.). Svaki redak predstavlja jedan klon cDNA, a svaki stupac vremensku točku u tijeku aklimatizacije. Oko 40% 540 cDNA klonova koji su različito eksprimirani imaju ciklički obrazac ekspresije kao odgovor na temperaturni ciklus kako je određeno unakrsnom korelacijskom analizom. Za kontrolne dnevne cikluse (26 ° C) i konstantno prilagođavanje na 20 ° C i 37 ° C, obrasci izražavanja ispravljaju se u odnosu na t= 0. Za obradu fluktuirajuće temperature, podaci su prikazani u odnosu na t= 0 kao i sa oduzetim cirkadijalnim ritmovima (označeno kao "Učinak temperature"). Profili temperature bicikla predstavljeni s oduzetim dnevnim ritmovima imat će obrazac ekspresije blizu omjera 1: 1 s kontrolama ako postoji zanemariv utjecaj temperature na ekspresiju gena (pogledajte Materijali i metode za proširenu raspravu). Slova na desnoj margini slike odgovaraju linijskim grafovima prikazanim na slici 4. Za neciklične obrasce ekspresije gena vidi dopunsku sliku 1.

Različiti obrasci cikličke ekspresije gena. Isprekidana linija u svakom grafikonu predstavlja omjer 1: 1 u odnosu na odgovarajuću kontrolu. Slova na lijevom rubu slike odgovaraju istim slovima na slici 3. Temperaturni ciklus predstavljen je svijetlo sivom linijom.

Različiti obrasci cikličke ekspresije gena. Isprekidana linija u svakom grafikonu predstavlja omjer 1: 1 u odnosu na odgovarajuću kontrolu. Slova na lijevom rubu slike odgovaraju istim slovima na slici 3. Temperaturni ciklus predstavljen je svijetlo sivom linijom.

Obrasci ekspresije gena grupirani prema staničnoj funkciji. Podaci su prikazani kako je objašnjeno na slici 3. (A) Proteini toplinskog šoka i molekularni pratioci (B) kolesterol i metabolizam lipida (C) nosači otopljenih tvari (D) glikoliza/glukoneogeneza, homeostaza glukoze u krvi (E) posrednički metabolizam (F) metabolizam dušika (G) citoskeletni elementi (H) promet proteina (I) odgovor akutne faze i proteini komplementa (J) rast i proliferacija stanica (K) klonovi s nepoznatom funkcijom ili bez homologije s poznatim nizovima. Vjerojatne homologije gena određene su Blast pretraživanjem baze podataka GenBank sekvence. Najvažniji ili najrelevantniji rezultati ovih pretraživanja homologije navedeni su u dodatnoj tablici 1, kao i pristupni brojevi za DNA sekvencu klonova cDNA prikazani u ovom radu.

Uzorci ekspresije gena grupirani prema staničnoj funkciji. Podaci su prikazani kako je objašnjeno na slici 3.(A) Proteini toplinskog šoka i molekularni pratioci (B) kolesterol i metabolizam lipida (C) nosači otopljenih tvari (D) glikoliza/glukoneogeneza, homeostaza glukoze u krvi (E) posredni metabolizam (F) metabolizam dušika (G) citoskeletni elementi (H) proteinski promet (I) odgovor akutne faze i proteini komplementa (J) stanični rast i proliferacija (K) klonovi s nepoznatom funkcijom ili bez homologije s poznatim sekvencama. Vjerojatne homologije gena određene su Blast pretraživanjem baze podataka GenBank sekvence. Najvažniji ili najrelevantniji rezultati ovih pretraživanja homologije navedeni su u dodatnoj tablici 1, kao i pristupni brojevi za DNA sekvencu klonova cDNA prikazani u ovom radu.

Promjene u ekspresiji gena mogu nastati iz različitih razloga, od kojih neki ne moraju biti posebno povezani s promjenama u aktivnosti genskih proizvoda (npr. Proteini). Na primjer, transkripti koji su vrlo labilni ili imaju vrlo kratko poluvrijeme mogu zahtijevati stalnu transkripciju kako bi se održala fiziološka razina transkripta, a to se može pogoršati promjenama u fizičkom okruženju koje destabiliziraju ili stabiliziraju transkripte mRNA. Također je moguće imati velike promjene u transkripciji gena bez promjene razine eksprimiranog proteina ako su promjene u stabilnosti proteina ili mRNA povezane s eksperimentalnim tretmanom ili ako je RNA aktivni genski proizvod (primjer je antisens RNA). Na primjer, promjene u ekspresiji gena mogu jednostavno predstavljati pokušaj održavanja trenutne razine proteina u stanici uslijed promjena u translaciji ili razgradnji proteina. U ovoj situaciji, ako je sprezanje razgradnje proteina i transkripcije tijesno, može doći do velike promjene u broju transkripata bez ikakve promjene u broju proteina. Iako u ovoj situaciji količina transkripta nije paralelna s promjenom razine proteina, ona ipak ukazuje na važan stanični proces koji se mora pomno regulirati kako bi se održala stanična funkcija. Ova vrsta genske regulacije može biti jednako važna, možda čak i važnija od regulacije koja rezultira promjenom razine proteina. Stoga tvrdimo da će većina promjena u broju transkripata, bilo da odražavaju učinke mRNA i stabilnosti proteina ili adaptivne promjene u koncentracijama proteina, vjerojatno biti važne u kontekstu aklimatizacije temperature, osobito tijekom početnih faza procesa.

Razine transkripta se ne mijenjaju kao odgovor na temperaturu na globalni način što bi ukazivalo na velike promjene u brzinama sinteze ili razgradnje mRNA u svim genima (slika 3). Zapravo, većina cDNA (> 90%) promijenila se manje od dva puta, ako ih je uopće bilo, kao odgovor na temperaturu, što ukazuje na vrlo strogu regulaciju razina stabilnog stanja transkripata mRNA tijekom velikih promjena temperature. Ipak, nedavno je pokazano da stope produženja transkripcije kod sisavaca u hibernaciji, mjerene u nuklearnim testovima pri radu, imaju tipičnu temperaturnu osjetljivost (Q10≈2–3) (van Breukelen i Martin, 2002.). To sugerira da bi se temperaturna kompenzacija u brzinama transkripcije trebala pojaviti na razini inicijacije, degradacije ili oboje. Pružamo neke dokaze da globalna kontrola inicijacije putem aktivnosti proteina grupe B1 velike pokretljivosti (HMGB1 vidi dolje, slika 3) može odigrati važnu ulogu u globalnoj regulaciji transkripcije kao odgovor na temperaturu. Međutim, važno je napomenuti da se promjene u broju transkripata mRNA u stanici mogu dogoditi bez promjena u brzini transkripcije. Na primjer, promjene u prometu mRNA (npr. Stabilizacija ili destabilizacija transkripta) mogu uzrokovati promjene razine mRNA neovisno o brzini transkripcije. Stoga nije sigurno pretpostaviti da su promjene u relativnom broju transkripata mRNA posljedice promjena u brzini transkripcije. Priroda kojom se mijenjaju određene razine mRNA može se riješiti samo detaljnijim istraživanjem svake vrste transkripta primjenom konvencionalnih pristupa specifičnih za gene.

Različiti fazni obrasci u ekspresiji gena povezani s temperaturnim ciklusom

Postoji raznolikost uzoraka ekspresije gena povezanih s prilagođavanjem na biciklističke temperature. Za ispitivanje ovih obrazaca, podaci o ekspresiji gena izraženi u odnosu na t= 0 su poredani prema faznom pomaku u odnosu na temperaturni ciklus (slika 3). Dijagram grupiranja gena s uzorcima ekspresije za koje je utvrđeno da imaju statistički značajnu unakrsnu korelaciju s temperaturnim ciklusom prikazan je na slici 3. Reprezentativni obrasci ekspresije iz svakog klastera s faznim pomakom prikazani su pomoću crteža na slici 4. Ti obrasci uključuju promjene u faznom obrascu ekspresije gena, kao i pomake u amplitudi i razini ekspresije. Relativna količina nekih transkripata smanjuje se pri visokim temperaturama (ER membranski protein, HMGB1), dok se drugi, poput hidroksimetil glutaril koenzimA sintaze (HMG-CoA sintaza) povećavaju. Neki transkripti (teški lanac miozina) pokazuju složeni uzorak s dva negativna vrha koji nastaju kao posljedica ciklusa temperature. Ovaj uzorak se spaja u jedan negativni vrhunac povezan s visokim temperaturama nakon 2 tjedna neprekidnog ciklusa temperature. Drugi transkripti pokazuju jasan ciklički uzorak s temperaturom, a također pokazuju i promjenu u ukupnom broju transkripata (komplement protein C7, apolipoprotein E, protein toplinskog šoka 70 kDa). Neki transkripti pokazuju vrlo mali odziv tijekom prvih nekoliko temperaturnih ciklusa, a zatim razvijaju ciklički obrazac tijekom vremena (neidentificirani klon LU07B24). Mnogi prijepisi koji se mijenjaju u relativnom obilju kao odgovor na temperaturni režim ciklusa vraćaju se u kontrolni obrazac (npr. Neidentificirani klon LU05K02, HMG-CoA sintaza) nakon 2 tjedna temperaturnog ciklusa, dok drugi razvijaju nove obrasce (miozinski teški lanac, ER membranski protein ). Iznenađujuće je malo gena jednostavno isključeno ili uključeno kao odgovor na cikličke temperature, a čini se da se ekspresija mnogih gena može mijenjati po satu pod uvjetima ciklusa temperature.

Temperatura i dnevni ritmovi

Brojni prijepisi za koje je utvrđeno da imaju temperaturno ovisne obrasce izražavanja također imaju jake dnevne ritmove pri konstantnim temperaturama (slike 3, 4). U gotovo svim slučajevima ti se obrasci moduliraju temperaturom na dosljedan način. Na primjer, transkripti membranskog proteina ER i transkripti teškog lanca miozina pokazuju suprotne obrasce izražavanja kao odgovor na temperaturu u usporedbi s normalnim dnevnim ritmom. Ovi podaci ukazuju na to da će prirodni dnevni ritmovi izražavanja vjerojatno biti snažno modulirani temperaturnim ciklusom u A. limnaeus. Neki od ritmova uočenih u kontrolnim uvjetima mogu biti posljedica režima hranjenja korištenog tijekom ispitivanja (ribe su se hranile jednom dnevno u 09:00 sati). Ova hipoteza potkrijepljena je brojem prijepisa povezanih s energetskim metabolizmom (npr. Metabolizmom lipida i glukoze) koji pokazuju jake dnevne ritmičke obrasce pod kontrolom i uvjetima ciklusa temperature (slika 5). Nedavno je objavljeno da se cirkadijalni ritmovi uočeni u jetri sisavaca mogu uključiti u ciklus hranjenja, neovisno o svjetlosnom ciklusu (Stokkan i sur., 2001.). Naši podaci ukazuju na to da su dnevni ritmovi ekspresije gena u prirodnim uvjetima vjerojatno posljedica višestrukih unosa okoliša i prehrane u jetru te da će varijacije temperature okoliša vjerojatno imati snažan utjecaj na ovaj integrirani odgovor.

Dnevno protiv dugoročni odgovori ekspresije gena na temperaturu: opći principi i pozadinski podaci

Većina laboratorijskih pokusa aklimatizacije temperature nameće stalne uvjete organizmima koji se tipično pojavljuju u termički promjenjivim okruženjima u kojima se događaju dnevne promjene temperature. Potreba za proučavanjem takvih kratkotrajnih toplinskih fluktuacija očita je na temelju nalaza studija koje su pokazale da prilagođavanje na fluktuirajuće i konstantno toplinsko okruženje rezultira različitim fiziološkim fenotipovima (Lowe i Heath, 1969. Feldmeth i sur., 1974. Otto, 1974. Shrode i Gerking, 1977. Woiwode i Adelman, 1992. Heath i sur., 1993.). Većina ovih studija usredotočila se na toplinsku toleranciju ili toplinsku sklonost. U gotovo svim slučajevima aklimatizacija na fluktuirajuće okruženje rezultirala je većom toplinskom tolerancijom ili povećanjem raspona toplinske tolerancije u usporedbi s prilagođavanjem na konstantne uvjete koji su približni srednjoj temperaturi fluktuirajuće aklimacije. Ovi podaci ukazuju na to da je fiziološko stanje ribe izložene promjenjivim temperaturama doista jedinstveno u usporedbi s ribom aklimatiziranom na konstantno okruženje. Podaci o ekspresiji gena prikazani u ovom radu podupiru opći zaključak da konstantna i fluktuirajuća okolina izazivaju različite transkripcijske i vjerojatne fiziološke reakcije.

Različiti odgovori u ekspresiji gena tijekom aklimatizacije na konstantne i fluktuirajuće temperature o kojima se govori u nastavku mogu imati široke implikacije na druge vrste vodenih organizama koje žive u stalnom i fluktuirajućem okruženju. Na primjer, mnogi morski međuplimni organizmi dio dana provode u relativno toplinski stabilnim uvjetima oceana, a drugi dijelovi plimnog ciklusa izloženi zraku i promjenjivijim temperaturama. Većina onoga što je poznato o temperaturnoj biologiji ovih vrsta je od aklimatizacije do stalnih uvjeta, a vrlo različita perspektiva mogla bi se dobiti promatranjem aklimatizacije na dnevne oscilacije temperature. Nadalje, razlike u transkripcijskim odgovorima uočene su konstantno protiv fluktuirajuće temperature mogu ukazivati ​​na razlike u dnevnim odgovorima organizama protiv sezonske promjene temperature. Iako će vjerojatno doći do dnevnih fluktuacija temperature tijekom svih godišnjih doba, srednja temperatura će se vjerojatno promijeniti, kao i amplituda fluktuacije. Stalni aklimatizacijski režimi mogu oponašati sezonske promjene srednje dnevne temperature i stoga mogu izazvati promjene u ekspresiji gena povezane s prilagodbama potrebnim za dugoročno preživljavanje ili sezonske promjene u reprodukciji i hranjenju. Nasuprot tome, velike fluktuacije temperature na dnevnoj bazi mogu zahtijevati neposrednije promjene u ekspresiji gena koje su potrebne za kratkotrajno preživljavanje, pa riba reagira preko privremeniji mehanizmi koji nisu povezani s dugoročnim prilagodbama u fiziologiji.

Ekspresija gena grupirana prema staničnoj funkciji

Kako bismo istražili biokemijske i molekularne putove na koje temperatura utječe na dnevnim ili dugoročnim vremenskim skalama, podatke smo organizirali prema staničnim funkcijama (slika 5). Slika 5 prikazuje raznolikost staničnih putova na koje temperatura utječe na transkripcijskoj razini. Za svaku staničnu funkciju raspravljamo o promjenama transkripcije za koje smatramo da su najpoučnije za procjenu učinaka temperature na dotičnu funkciju. Stavljajući fokus na podskup transkripcijskih promjena, ne namjeravamo implicirati da su druge promjene u ekspresiji gena bez značaja za dotični proces.

Molekularni pratitelji

Nakon početnog izlaganja temperaturnom ciklusu, brojni molekularni pratioci su jako inducirani (slika 5A). Međutim, razine transkripta većine ovih pratitelja vraćaju se na kontrolne razine nakon 2 tjedna ciklusa temperature. Transkripti malih proteina toplinskog šoka Hsp27 i Hsp22 snažno su inducirani (četiri do pet puta indukcijom) početnim temperaturnim ciklusima, dok su veći proteini toplinskog šoka Hsc70 i Hsp90 tek blago inducirani (& gtwofold) nakon nekoliko temperaturnih ciklusa. Međutim, transkripti koji kodiraju za Hsc70 i Hsp90 snažno su inducirani kronično povišenim temperaturama. Ove razlike u kinetici indukcije među različitim klasama proteina toplinskog šoka ukazuju na složen transkripcijski odgovor na temperaturni ciklus koji se razlikuje od stalne izloženosti povišenim temperaturama. Transkripti za druge glavne vrste molekularnih pratilaca, poput proteinske disulfid izomeraze (PDI) ili kalreticulina, koji su u početku inducirani temperaturnim ciklusom, također se induciraju i održavaju izlaganjem 37 ° C. Ovi podaci uzeti zajedno ukazuju na to da je za A. limnaeus kronične visoke temperature mogu biti `stresnije`, tj. uzrokovati više oštećenja proteina, nego izloženost stalno promjenjivim temperaturama. Ovaj zaključak u skladu je s promjenjivim prirodnim staništem u kojem ribe uspijevaju (slika 1A). Očigledna važnost malih proteina toplinskog šoka za preživljavanje A. limnaeus u svom termalno promjenjivom i ekstremnom pustinjskom staništu u skladu je s podacima Hightowera i sur. (Norris i sur., 1997. Hightower i sur., 1999.) za opstanak pustinjskih riba iz Meksika. Ovi autori sugeriraju da Hsp27 može igrati ulogu u transdukciji signala do citoskeleta tijekom temperaturnog stresa (Norris i sur., 1997.).

Sinteza kolesterola i masnih kiselina - struktura membrane

Poznato je da je održavanje integriteta membrane (homeoviskozna i homeofazna prilagodba) ključni dio aklimacijskog odgovora na temperaturu i da uključuje velike promjene u lipidnom sastavu membrana (Hazel, 1995. Hochachka i Somero, 2002.). Stoga smo predvidjeli da će brojni geni povezani s biosintezom lipida promijeniti njihovu ekspresiju kao odgovor na fluktuirajuće ili dugotrajne aklimacijske temperature. Doista, ovo predviđanje je ispunjeno (slika 5B). Utvrđeno je da su dva transkripta, jedan za Δ6-masnu acil desaturazu, a drugi za polinezasićene elongaze masnih kiselina, inducirani stalnom aklimatizacijom na 20 ° C i potisnuti kroničnom izloženošću na 37 ° C. Ako se ove promjene u razinama transkripta odražavaju na razine proteina, tada su ti podaci potpuno u skladu s teorijom homeoviskozne adaptacije, koja predviđa porast dugolančanih polinezasićenih masnih kiselina na nižim temperaturama. Međutim, ova dva prijepisa nisu strogo regulirana tijekom izlaganja temperaturama bicikla. Čini se da se restrukturiranje membrane tijekom ciklusa temperature može postići alternativnim načinima.

Umetanje kolesterola u lipidne dvoslojeve ima višestruke učinke na strukturu membrane, a općenito su povećane razine kolesterola povezane s povišenim temperaturama (Robertson i Hazel, 1997.). Relativno obilježje transkripta za enzim na biosintetskom putu kolesterola, 3-hidroksi-3-metilglutaril-CoA sintaze (HMG-CoA sintaza) (citoplazmatski oblik), snažno je i pozitivno povezano s temperaturnim ciklusom (slike 3, 4 , 5). To ukazuje na ulogu kolesterola u održavanju integriteta membrane tijekom ciklusa temperature. Nakon 2 tjedna vožnje, razine ekspresije transkripta HMG-CoA sintaze vraćaju se na kontrolne razine. Ovaj povratak na kontrolne razine transkripata nakon 2 tjedna temperaturnog ciklusa sugerira da je postignuta ili nova razina kolesterola u stabilnom stanju koja je dovoljna za održavanje integriteta membrane uslijed temperaturnog ciklusa, ili da postoje drugi mehanizmi, poput promjena u sadržaj polinezasićenih masnih kiselina, može se koristiti tijekom duljih razdoblja izloženosti cikličkim temperaturama.

Čini se da uzorak transkripta HMG-CoA sintaze ima dnevni ritam koji može biti povezan sa dnevnim obrascem hranjenja (vidi raspravu gore). Razine transkripta HMG-CoA sintaze najveće su oko 3,5 h nakon hranjenja (u 12:30 h) u kontrolnim uvjetima (26 ° C, slika 4). Međutim, tijekom ciklusa temperature razine ovog transkripcijskog vrhunca snažno su 8 h nakon hranjenja (4 h nakon vršne temperature) i jako su povezane s prva četiri temperaturna ciklusa. Vrijedi napomenuti da se regulacija biosinteze kolesterola obično ne pripisuje HMG-CoA sintazi, već HMG-CoA reduktazi. U ovoj studiji razine transkripta HMG-CoA reduktaze su blago inducirane tijekom aklimatizacije na kroničnu hladnoću (20 ° C) i potisnute tijekom aklimatizacije na kronično povišenje temperature (37 ° C), što ukazuje na nedostatak odgovarajućeg transkripcijskog odgovora na temperaturu koji bi bio dosljedan s ulogom kolesterola u aktualnoj teoriji homeoviskozne adaptacije (Robertson i Hazel, 1997. Zehmer i Hazel, 2003.). Međutim, poznato je da je ovaj enzim reguliran alosteričnim i post-translacijskim modifikacijama i možda neće zahtijevati transkripcijski odgovor kako bi se utjecalo na promjenu aktivnosti gena. Mnoge biološke uloge kolesterola u fiziologiji organizma i složena kontrola sinteze sterola sugeriraju da je uzorak ekspresije ovog gena rezultat međusobnog djelovanja mnogih konvergirajućih putova.

Obrazac ekspresije transkripta koji kodira protein povezan s masnom diferencijacijom (ADRP, slika 5B) pruža dodatne dokaze da je kolesterol vjerojatno važan za održavanje integriteta membrane tijekom ciklusa temperature. Kad su razine transkripta HMG-CoA sintaze visoke, razine transkripta ADRP su niske. Povećane razine mRNA ADRP povezane su s povećanim skladištenjem kolesterola i polinezasićenih masnih kiselina (PUFA) u kapljicama lipida stanica sisavaca (Atshaves i sur., 2001. Brown, 2001.). ADRP se čvrsto veže za kolesterol i smatra se da je kritični regulator skladištenja i oslobađanja kolesterola i PUFA iz kapljica lipida (Brown, 2001). Stoga bi smanjene razine ADRP mRNA transkripata vjerojatno dovele do mobilizacije zaliha kolesterola i PUFA za transport do plazma membrane.

Nedavna istraživanja pokazuju da je plazma membrana organizirana u diskretne lipidne i lipidno/proteinske domene. (Ikezawa, 2002. Morandat i sur., 2002.). Proteini usidreni glikozilfosfatidilinositolom (GPI) povezani su sa specifičnim poddomenama plazma membrane nazvanim membranske splavi, koje su bogate kolesterolom i sfingolipidima (Ikezawa, 2002. Morandat i sur., 2002.). Smatra se da su ti splavovi kritična mjesta za mnoge funkcije povezane s membranom, uključujući staničnu signalizaciju. Opazili smo snažnu indukciju transkripata za membranski protein učvršćen GPI p137 tijekom izlaganja kronično povišenim temperaturama, te blagu indukciju nakon nekoliko temperaturnih ciklusa. Ovi podaci ukazuju na to da povećanje proteina membranskih splavi može imati ulogu u stabilizaciji splavova s ​​membranom u plazmi i održavanju membranskih funkcija tijekom izloženosti povišenim temperaturama. Nedavna istraživanja pokazuju da se homeoviskozna adaptacija plazma membrana može pojaviti prvenstveno u tim splavovima te da kolesterol ima posebno važnu ulogu u prilagođavanju fizičkih svojstava splavi (Zehmer i Hazel, 2003.). Stoga naši podaci podupiru ulogu i proteina splava i lipida u prilagodbi membrana na temperaturu.

Nosači otopljenih tvari

Brojni transkripti koji kodiraju transportere otopljene tvari i transmembranske proteine ​​imaju snažne dnevne ritmove ekspresije koji nisu jako modulirani temperaturom (slika 5C). Ti geni uključuju akvaporin 1 i nosače otopljene tvari koji se nalaze u plazma membrani, kao i u membranama mitohondrija. Čini se da su ti geni temperaturno neovisni u svojoj transkripcijskoj regulaciji u širokom rasponu temperatura.Razlog za ovaj snažni dnevni ritam i neovisnost o temperaturi nije poznat, ali može biti posljedica djelovanja proteina kodiranih ovim transkriptima u probavi i asimilaciji hrane. Na primjer, nedavno je identificirano da su akvaporini važni za pravilno lučenje žuči u hepatocitima (Huebert i sur., 2002.). Smatra se da je protein kodiran genom za obitelj 3 nosača otopljene tvari (SLC3A2) transporter aminokiselina s visokim afinitetom (raspon μmol l –1) za dvobazne i cviterionske aminokiseline (Palacin i sur., 1998.). Prijenosna funkcija aniona slična onoj transportera aniona iz trake 3 iz eritrocita sisavaca pronađena je u bubrežnim tubulima i može biti važna u transportu otopljene tvari preko bubrežnih tubula. Možda je slična funkcija potrebna za transport i izlučivanje tvari hepatocitima tijekom probave.

Metabolizam ugljikohidrata

Glukoza je važan izvor goriva za mnoge vrste stanica u kralježnjaka i opskrbljuje se uglavnom kroz krvožilni sustav. Jetra igra bitnu ulogu u homeostazi glukoze u krvi uravnotežujući unos i oslobađanje glukoze (Nordlie i sur., 1999.). Promjene u razinama transkripta za brojne gene kritične za regulaciju metabolizma ugljikohidrata i koncentracije glukoze u krvi javljaju se kao odgovor na temperaturu. Značajno je da glukokinaza ima vrlo promjenjiv obrazac ekspresije koji je gotovo identičan onom za drugi enzim kritičan za glukoneogenezu, fosfoenolpiruvat karboksikinazu (slika 5D). Ti se geni gotovo uvijek paralelno eksprimiraju tijekom ciklusa temperature i, što je važno, gotovo uvijek se izražavaju na suprotan način od glukoze-6-fosfataze, glavnog regulatora transporta glukoze iz stanica u krvotok. Pokazalo se i da glukokinaza ima ulogu u regulaciji metabolizma glukoze i često se nalazi u jezgri stanica, gdje se smatra da djeluje kao senzor glukoze. Regulacija glukokinaze i glukoza-6-fosfataze vrlo je složena i uključuje mnoge efektore (Nordlie i sur., 1999.). Podaci o ekspresiji gena iz ove studije ukazuju na to da će razine glukoze u krvi vjerojatno jako reagirati na stanje prehrane i na njih će snažno utjecati temperatura.

Dva dodatna transkripta koji kodiraju enzime koji su važni regulatori metabolizma glukoze i glikogena, glikogen sintaze i piruvat kinaze, pokazuju različite reakcije na aklimatizaciju na kronične visoke temperature, ali ne pokazuju snažne promjene u razini transkripta tijekom ciklusa temperature. Povećanje transkripata glikogen sintaze i smanjenje transkripata piruvat kinaze tijekom aklimatizacije na 37 ° C ukazivalo bi na to da bi sintezu glikogena trebalo favorizirati tijekom aklimatizacije na kronične visoke temperature. Odsutnost snažnog transkripcijskog odgovora u ovim transkriptima tijekom ciklusa temperature ne čudi s obzirom na mnoge posttranslacijske mehanizme za regulaciju ovih proteina na kratkim vremenskim skalama.

Posrednički metabolizam

Čini se da temperatura na transkriptne gene karboanhidraze i gena kreatin kinaze utječe na sličan način (slika 5E). Oba su proteina uključena u regulaciju stanične energije svojim doprinosom fosfotransfernim mrežama koje mogu djelovati na spajanje prostorno odvojenih metaboličkih puteva koji troše ATP i koji proizvode ATP (Dzeja i Terzić, 2003.). Transkripti ovih gena blago su regulirani nakon najhladnijeg dijela temperaturnog ciklusa (blizu t= 0, ∼26 ° C), u usporedbi s normalnim cirkadijskim obrascem izražavanja. To može ukazivati ​​na potrebu povećanja kapaciteta fosfotransfernih mreža tijekom hladnih razdoblja zbog stalnih promjena temperature okoliša kako bi se održalo čvrsto spajanje kataboličkih i anaboličkih procesa.

Čini se da je temperaturni ciklus tijekom prva tri temperaturna ciklusa snažno utjecao na pentozo-fosfat-shunt enzim 6-fosfoglukonat dehidrogenazu. Ovaj je prijepis više reguliran u usporedbi s normalnim dnevnim uzorkom izražavanja na 26 ° C, ali je snižen tijekom aklimatizacije na 37 ° C (slika 5E). Prethodne studije ukazuju na to da aktivnost ovog enzima reagira na aklimatizaciju temperature, što je povećano tijekom izlaganja sniženim temperaturama (Seddon i Prosser, 1997). Očekuje se da će povećana aktivnost pentoza fosfatnog šanta podržati povećanu biosintezu masnih kiselina osiguravanjem redukcijskih ekvivalenata za biosintetske reakcije. Drugi su sugerirali vezu između aktivnosti mantri pentoznog fosfata i antioksidativne zaštite preko glutation (Winkler i sur., 1986.). Međutim, u našem istraživanju ekspresija barem jednog enzima uključenog u detoksikaciju kisikovih radikala na bazi glutationa, glutation-s-transferaza, nije slična onoj za 6-fosfoglukonat dehidrogenazu, što sugerira da je veća vjerojatnost da će ekspresija potonjeg biti uključeni u kontrolu biosinteze i ukupne redoks ravnoteže u citoplazmi i ne reagiraju na oksidativna oštećenja po sebi. Dodatna potpora ovom zaključku dolazi iz obrazaca ekspresije citosolne izoforme izocitrat dehidrogenaze. Utvrđeno je da ovaj enzim igra važnu ulogu u obrani od oksidativnog stresa u kultiviranim stanicama NIH3T3 (Lee i sur., 2002.). Razine transkripta za ovaj enzim snižene su tijekom ciklusa temperature i tijekom aklimatizacije na 37 ° C, a povećane tijekom aklimatizacije na 20 ° C. Ovaj transkripcijski odgovor mnogo je dosljedniji s temperaturnom kompenzacijom metaboličke funkcije nego s potrebom da se nosi s oksidativnim oštećenjima.

Dihidropirimidin dehidrogenaza katalizira korak ograničavanja brzine katabolizma pirimidina, pretvarajući uracil u 5,6-dihidrouracil (web stranica KEGG, http://www.genome.ad.jp/kegg/). Ova pretvorba na kraju daje β-alanin ili niz drugih metabolita dobivenih iz pirimidina. Razina transkripta dihidropirimidin dehidrogenaze snažno se regulira nakon ponovljenog ciklusa temperature (slika 5E). Povećana regulacija ovog prijepisa mogla bi ukazivati ​​na povećanu potrebu za metabolizmom pirimidina zbog povećanog prometa RNA i DNA, možda čak i zbog oštećenja stanica nakon ponovljenog ciklusa temperature. Alternativna hipoteza je da temperaturni ciklus inducira proizvodnju β-alanina kao organskog osmolita. β-alanin je poznati organski osmolit u prokariota i različitih životinjskih loza, uključujući morske elasmograne (Hochachka i Somero, 2002). Moguće je da bi nakupljanje organskih osmolita (vidi raspravu u nastavku) moglo pomoći u posredovanju temperaturnog stresa stabiliziranjem proteinske strukture nasuprot promjenjivim temperaturama.

Metabolizam dušika

Brojni transkripti koji kodiraju proteine ​​u metabolizmu dušika različito se reguliraju tijekom aklimatizacije na konstantne i fluktuirajuće temperature (slika 5F). Transkript za betain homocistein metiltransferazu sniženo je reguliran pri konstantnim hladnim temperaturama i pojačano reguliran pri stalnim toplim temperaturama (slika 5F). Razine ovog prijepisa vrlo su promjenjive u uvjetima ciklusa temperature. Ovi podaci mogu ukazivati ​​na to da je metabolizam metilamina važan za aklimatizaciju temperature, te ukazuju na to da se razine metilamina mogu povisiti na visokim temperaturama i smanjiti na niskim temperaturama, što bi bilo u skladu s podacima koji ukazuju da metilamini, osobito glicin betain, mogu djelovati kao "kemijski pratitelji" i imaju stabilizacijski učinak na proteine ​​tijekom izloženosti kombiniranom visokom soli i temperaturnom stresu u E coli(Diamant i sur., 2001). Ovi autori sugeriraju da organski osmoliti, osobito glicin betain i, u određenoj mjeri, prolin, mogu regulirati aktivnost makromolekularnih pratilaca, poput glavnih proteina toplinskog šoka. Zanimljivo je da su razine transkripata za proteine ​​arginazu i ornitin aminotransferazu također povišene tijekom aklimatizacije na 37 ° C i ciklusa temperature. Oba su enzima uključena u biosintezu prolina (web stranica KEGG, http://www.genome.ad.jp/kegg/). Na temelju ovih podataka predviđamo da će se razine prolina i glicin betaina vjerojatno povećati tijekom aklimatizacije na kronične visoke temperature i temperature tijekom vožnje. Povišene razine organskih osmolita mogu dugoročno nadoknaditi potrebu za molekularnim pratiocima, a također mogu objasniti zašto se razine transkripta proteina toplinskog šoka vraćaju na kontrolne vrijednosti nakon nekoliko temperaturnih ciklusa. Čini se da je uporaba organskih osmolita za povećanje stabilnosti proteina ekonomičan način rješavanja promjenjivih uvjeta okoliša bez stalnog povećanja reakcije na toplinski udar. Napominjemo da se pokazalo da se otopine metilamina koje stabilizuju proteine ​​nakupljaju u visokim koncentracijama u dubokomorskim ribama i beskičmenjacima te da su učinkovite u suzbijanju destabilizirajućih učinaka visokog pritiska na strukturu i funkciju proteina (Yancey i sur., 2002.).

Citoskeletni elementi i kontraktilni proteini

Brojni geni koji kodiraju proteine ​​citoskeleta i proteine ​​uključene u kontraktilne funkcije varijabilno su izraženi u odnosu na temperaturu (slika 5G). Čini se da je mRNA transkript za α-tubulin posebno promjenjiv tijekom ciklusa temperature. Transkripti za teški lanac i laki lanac miozina također su pod jakim utjecajem temperature i dijele gotovo identične obrasce ekspresije. Razlozi za ove obrasce izražavanja još nisu jasni, ali mogu biti povezani s potrebom stabilizacije citoskeleta kao odgovor na promjenu temperature. Ova je hipoteza podržana povećanom razinom ekspresije za fikolin 1 i druge proteine ​​koji vežu aktin, kao i proteine ​​povezane s mikrotubulama. Ti bi podaci trebali ukazivati ​​da normalizacija razine mRNA na citoskeletne gene, poput tubulina, što je standardni postupak, može vjerojatno rezultirati pogrešnom ili lažnom interpretacijom razine mRNA u situacijama fluktuirajućih temperatura.

Promet proteina

Čini se da aklimatizacija na konstantne niske ili visoke temperature izaziva promjene u transkripciji koje mogu utjecati na razinu sinteze i razgradnje proteina (slika 5H). Dva faktora produljenja translacije, tRNA sintaza i najmanje jedan ribosomalni protein imaju povećanu razinu ekspresije, dok se neznatno smanjuje količina transkripta za regulatornu podjedinicu 26S proteosoma (dio ubikvitin-ovisnog sustava proteolize ) kao odgovor na kronično povišene temperature. Ovi podaci ukazuju na povećanje prometa proteina tijekom izloženosti kroničnim visokim temperaturama, te na pokušaj organizma da održi razinu proteina povećanjem sposobnosti sinteze proteina i smanjenjem sposobnosti razgradnje proteina. Tijekom aklimatizacije na hladne uvjete, postoji snažna regulacija regulatorne podjedinice 26S proteosoma, ali razine transkripta za proteine ​​uključene u mehanizam sinteze proteina ostaju nepromijenjene ili su blago snižene nakon 2 tjedna aklimatizacije. Čini se da temperaturni ciklus izaziva vrlo slabu indukciju transkripata za proteine ​​uključene u sintezu proteina. Nasuprot tome, čini se da razine transkripta regulatorne podjedinice za 26S proteosom jako reagiraju na temperaturni ciklus i mogu ukazivati ​​da je regulacija razgradnje proteina kritična tijekom kratkotrajnih fluktuacija temperature. Ovi podaci o ključnim komponentama strojeva za promet proteina ukazuju na to da će određeni aspekti prometa proteina vjerojatno biti regulirani na razini transkripcije tijekom aklimatizacije, a odgovor na konstantne uvjete jedinstven je u usporedbi s onima za izloženost temperaturnom ciklusu.

Odgovor akutne faze, komplement i urođeni imunitet

Nekoliko transkripata koji kodiraju proteine ​​uključene u odgovor akutne faze različito se reguliraju tijekom aklimatizacije temperature (slika 5I). Mnoge komponente odgovora akutne faze u početku se reguliraju tijekom ciklusa temperature, a zatim se snižavaju nakon 5 dana ciklusa. Ovi prijepisi također su snažno regulirani izloženošću kroničnim visokim temperaturama i slabije aklimatizaciji na 20 ° C. Iako se ovi rezultati u početku mogu činiti nedosljednima, nakon pomnijeg ispitivanja oni su u skladu s onim što je poznato o odgovoru akutne faze, a posebno s onim što je poznato o proteinima komplementa u ribama.

Proteini komplementa glavni su dio urođenog imunološkog sustava svih kralježnjaka (Sunyer i Lambris, 1998). Proteini komplementa su poznati efektori upalnog odgovora na oštećenje tkiva i infekciju, a aktivacija puta komplementa rezultira označavanjem ciljnih stanica (opsonizacija) s proteinima komplementa, aktivacijom leukocita i lizom ciljnih stanica preko stvaranje kompleksa membranskog napada (MAC) koji se sastoji od proteina komplementa koji se sami ubacuju u plazma membranu (Roitt i sur., 1993.). Aktivnost proteina komplementa i označavanje ciljnih stanica uvelike su regulirani aktivacijom proteina C3 komplementa kroz dva alternativna puta. Jedan od tih puteva, alternativni put, reguliran je hidrolizom veze tiol-estera unutar samog proteina C3, pomoću enzima C3 konvertaze. Poznato je da ta veza spontano reagira s vodom na niskoj razini, tako da je taj put uvijek blago aktiviran (Roitt i sur., 1993.). Aktivacija C3, a time i put komplementa pojačani su pozitivnom povratnom spregom koja je u velikoj mjeri regulirana prisutnošću ili odsutnošću ne-vlastite površine za opsonizaciju. Proteini komplementa mogu se vezati za samostalne i nesamopovršinske površine, ali ih specifični proteini usporavaju od vezanja za samopovršine. Pokazalo se da aktivacija puta komplementa doprinosi oštećenju tkiva nakon ishemijske ozljede srčanog tkiva (Roitt i sur., 1993.), što ukazuje na to da se put komplementa mora pažljivo regulirati kako bi funkcionirao u imunološkom odgovoru bez nanošenja većih oštećenja vlastitih tkiva.

Početna regulacija transkripata koji kodiraju nekoliko proteina komplementa nakon izlaganja visokim ili cikličkim temperaturama može biti rezultat povećane aktivacije puta komplementa preko spontana aktivacija proteina C3 zbog povećane toplinske energije, ili prekosignali koji potječu od oštećenja tkiva. U oba slučaja, odgovor bi bio dugoročno kontraproduktivan i snižen je nakon nekoliko temperaturnih ciklusa u promjenjivom režimu aklimatizacije. Međutim, visoka razina transkripta održava se tijekom izlaganja kroničnoj visokoj temperaturi, što može biti znak stalnog oštećenja tkiva ili neprilagođenog imunološkog odgovora sličnog onom primijećenom nakon ishemije (Roitt i sur., 1993.). Sporija kinetika regulacije transkripata proteina komplementa tijekom hladne aklimatacije vjerojatno je mehanizam kompenzacije temperature za jačanje urođene imunološke funkcije, što je u skladu s ranijim nalazima da je klasični imunološki odgovor (posredovano antitijelima) oslabljen kod riba na niskim temperaturama (Bayne i Gerwick, 2001).

Postoje i dokazi koji ukazuju na to da su obrasci ekspresije gena povezani s regeneracijom jetre i odgovorom akutne faze slični (Milland i sur., 1990.). Moguće je da je početna izloženost temperaturnom ciklusu i kronična izloženost visokim temperaturama izazvala stanično oštećenje i smrt stanica u subpopulaciji stanica jetre, a aktivacija proteina komplementa odgovor je na stanično oštećenje. Drugi dokazi koji podupiru mogućnost uvjeta koji uzrokuju oštećenje stanica su pojačana ekspresija gena haptoglobina, za koju se zna da je važna za vezanje i uklanjanje hemoglobina iz puknutih crvenih krvnih stanica (Dobryszycka, 1997.).

Rast i proliferacija stanica

Brojni transkripti koji kodiraju proteine ​​koji reguliraju stanični rast i proliferaciju mijenjaju se obrasci ekspresije tijekom aklimatizacije na konstantne i ciklične temperature (slika 5J). Na primjer, dva gena za suzbijanje tumora, protein bogat argininom (ARP Shridhar et al., 1997) i quiescin Q6 (Coppock et al., 1998), inducirani su visokim temperaturama, pri čemu je ARP snažno induciran tijekom početnih temperaturnih ciklusa i quiescin Q6 se polako inducira nakon nekoliko ciklusa. Quiescin Q6 snažno je induciran tijekom izloženosti kroničnim visokim temperaturama, dok je ARP samo slabo induciran. Pokazalo se da je Quiescin Q6 snažno induciran tijekom ulaska u reverzibilnu staničnu mirovanje u stanicama sisavaca i izražen je na vrlo niskim razinama u stanicama koje se aktivno razmnožavaju (Coppock i sur., 1998.). Ti podaci ukazuju na to da je stanična proliferacija vjerojatno zaustavljena tijekom ciklusa temperature i tijekom izloženosti kroničnim visokim temperaturama, ali možda različitim putevima. Čini se da se i transkript za navodni onkogen, Mig-6 (Makkinje i sur., 2000. Tsunoda i sur., 2002.), za koji je poznato da je kritičan za signaliziranje proteinske kinaze aktivirane stresom (SAPK/JNK Makkinje i sur., 2000.) regulirati temperaturom. Mig-6 se inducira tijekom prvog temperaturnog ciklusa, ali općenito ima vrlo promjenjiv obrazac ekspresije. Postoje dokazi da Mig-6 može biti uključen u trajnu aktivaciju promjena u ekspresiji gena izazvanih SAPK/JNK (Makkinje i sur., 2000.). Ova trajna aktivacija dovodi do stanične hipertrofije zbog povećanog rasta stanica, ali ne i diobe stanica u nekim kroničnim bolestima sisavaca. Promjenjivi obrazac izražavanja transkripta Mig-6 tijekom ciklusa temperature može biti način za pažljivo titriranje aktivnosti signalnih putova SAPK/JNK i na taj način izbjeći probleme povezane s kroničnom aktivacijom ovog puta. Relativna brojnost TIEG-1 mRNA, koja kodira gen ranog odgovora TGF-β (Cook i Urrutia, 2000 Hefferan i sur., 2000) smanjuje se tijekom početnih temperaturnih ciklusa. Pokazalo se da se mRNA TIEG-1 brzo inducira signalizacijom TGF-β i općenito je povezana sa smanjenjem rasta i proliferacije stanica u stanicama gušterače (Cook i Urrutia, 2000). Ovdje prikazani podaci ukazuju na to da se signalizacija TGF-β vjerojatno u početku ne aktivira ciklusom temperature, već se može aktivirati kroničnom izloženošću niskim temperaturama (20 ° C) i tijekom hladnih dijelova dnevnog temperaturnog ciklusa (slika 5J). Integrirani prikaz gornjih podataka sugerira da temperaturni ciklus aktivira put SAPK/JNK i potiskuje ekspresiju TIEG-1, što dovodi do povećanog staničnog rasta, dok indukcija ARP-a i mirovanja Q6 ukazuje na prestanak stanične proliferacije. Ovi podaci ukazuju na to da se različiti dijelovi staničnog ciklusa rasta i proliferacije mogu zahvatiti temperaturom. Podjela različitih dijelova staničnog ciklusa na različite temperaturne uvjete može imati duboke utjecaje na energiju i fiziologiju organizama izloženih cikličkim temperaturama u prirodi, a može i diktirati kada su složena ponašanja, poput sinteze ili reprodukcije gameta, povoljna.

Nepoznati prijepisi

Određeni broj cDNA koje nemaju homologiju s poznatim nizovima ili imaju nepoznatu funkciju identificirane su kao odgovorne na aklimatizaciju temperature u ovoj studiji (slika 5K). Ove cDNA mogu predstavljati kritične dijelove odgovora na aklimatizaciju koji još nisu identificirani ili proučeni.Daljnje ispitivanje ovih sekvenci i njihovih obrazaca izražavanja kao odgovor na temperaturu i druge čimbenike okoliša vjerojatno će rezultirati otkrićem novih gena i funkcija gena koji su kritični za preživljavanje varijacija okoliša.

Globalna regulacija transkripcije

Transkript proteina HMGB1 proteina grupe visoke pokretljivosti pokazuje jedan od najupečatljivijih obrazaca ekspresije gena povezanih s temperaturama ciklusa (slike 3, 4, 5J). Relativna brojnost ovog prijepisa izrazito je negativno povezana s temperaturom (slika 4). Transkript HMGB1 mijenja se deseterostruko tijekom dnevnog temperaturnog ciklusa, a uzorak i veličina izraza dosljedni su tijekom cijelog dvotjednog perioda ciklusa temperature. Nadalje, ovaj prijepis ne pokazuje nikakve promjene u izražavanju na dnevnoj bazi u uvjetima konstantne temperature. Jedinstvena svojstva proteina HMGB1, zajedno s uzorkom ekspresije predstavljenim u ovom radu, navode nas na zaključak da bi protein HMGB1 mogao biti kritični dio kompenzacijskog transkripcijskog odgovora na temperaturu i doista može biti visoko osjetljiv temperaturni senzor.

Protein HMGB1 na mnogo je načina savršen kandidat kao neposredni efekt transkripcije kao odgovor na temperaturu. HMGB1 je mali (28 kDa) i bogat protein koji je visoko konzerviran i sveprisutan među kralježnjacima (Wolffe, 1999. Thomas i Travers, 2001). HMGB1 može vezati DNK na način specifičan za strukturu, preferirajući jednolančane, savijene ili supersavijene strukture (Hamada i Bustin, 1985. Stros, 2001. Thomas i Travers, 2001.). Pokazalo se da je partner sa mnogim važnim faktorima transkripcije, poput p53, HoxD9 i receptora steroidnih hormona kroz specifična područja interakcije (Wolffe, 1999 Thomas i Travers, 2001). Protein je također vrlo `ljepljive` prirode i sposoban se vezati za razne druge proteine, uključujući citoskeletne elemente i proteine ​​izvanstaničnog matriksa, te za različite klase lipida (Einck i Bustin, 1985.). Općenito je prihvaćeno da HMGB1 ima integralnu ulogu u sastavljanju brojnih nukleoproteinskih kompleksa koji su kritični za funkciju stanica, poput rekombinacije V (D) J i stvaranja kompleksa pojačanih enzima (Stros i Reich, 1998. Wolffe, 1999. Ellwood i sur., 2000. Thomas i Travers, 2001.). Poznato je da HMGB1 povećava afinitet TBA vežućeg proteina TATA za TATA kutiju za više od 20 puta (Das i Scovell, 2001). Prekomjerna ekspresija HMGB1 u staničnim linijama sisavaca rezultira globalnom stimulacijom transkripcije (neovisnom o genima i polimerazama) koja je povezana s generaliziranom dekondenzacijom strukture kromatina (Aizawa i sur., 1994. Ogawa i sur., 1995.). Dodatno, injekcija antitijela protiv HMGB1 inhibira transkripciju u Xenopus jajne stanice (Ogawa i sur., 1995.). Ovi podaci uzeti zajedno ukazuju na ključnu ulogu HMGB1 u globalnoj regulaciji transkripcije.

Toplinska stabilnost i biokemijska svojstva proteina HMGB1 ukazuju na to da bi protein trebao biti vrlo osjetljiv na temperaturu in vivo. HMGB1 ima vrlo široku krivulju toplinskog taljenja u razrijeđenim kiselim uvjetima (Ramstein i sur., 1999.). Protein se počinje topiti na 20 ° C i ne može se potpuno denaturirati do 65 ° C, dajući proteinu raspon taljenja preko 40 ° C. Ovaj široki raspon taljenja vjerojatno je posljedica različite toplinske stabilnosti različitih domena unutar proteina (Ramstein i sur., 1999.). Ova je točka kritična jer ukazuje na to da jedan dio proteina može biti stabilan i funkcionalan, dok je drugi dio denaturiran na fiziološki relevantnim temperaturama blizu 37 ° C. Osim toga, ti se proteini mogu posttranslacijski modificirati (Einck i Bustin, 1985.) dodavanjem nekoliko dijelova, a termička stabilnost proteina može se modificirati za čak 5 ° C ovim modifikacijama (Stemmer i sur., 2002). Ovo svojstvo omogućilo bi sezonska prilagođavanja toplinske stabilnosti proteina HMGB1. Pretpostavljamo da taljenje ovog proteina na fiziološki relevantnim temperaturama narušava sposobnost proteina HMGB1 da održava komplekse nukleoproteina koji su povezani s pokretanjem transkripcije i uzrokuje globalnu promjenu brzine transkripcije, posebno za one gene koji sadrže TATA kutiju u svom promotor. Pretpostavlja se da je ovaj mehanizam važan za moduliranje razine transkripcije na vrlo općenit način, dok još uvijek dopušta da se specifične promjene u ekspresiji gena induciraju ili potisnu regulatornim faktorima transkripcije ili pojačivačima i prigušivačima. Obrasci obilja transkripta predstavljeni u ovom izvješću u skladu su s ovom teorijom ako HMGb1 gen je autoreguliran vlastitom aktivnošću. To će vjerojatno biti slučaj budući da je hipotetički mehanizam globalni i nije specifičan za gene. Osim toga, kako bi ovaj model radio, HMGb1 transkripti moraju imati vrlo kratak poluživot u ćeliji. Naši su podaci u skladu s visokom stopom fluktuacije ovog prijepisa in vivo, jednostavno zato što stabilan prijepis vjerojatno ne bi pokazivao tako velike oscilacije u relativnoj brojnosti po satu. Zanimljivo je da je 3′UTR transkripta HMGB1 visoko očuvan među svim kralježnjacima (Bustin i sur., 1990.), što snažno sugerira regulatornu ulogu jer su 3′UTR regije klasično vrlo varijabilne.

Identificirali smo protein HMGB1 kao pretpostavljeni globalni regulator transkripcije kao odgovor na temperaturu. Ako je ova hipoteza podržana dodatnim istraživanjima funkcije proteina, ovaj bi model mogao pomoći u rješavanju mnogih neobjašnjivih pojava povezanih s aklimatizacijom temperature. Na primjer, sezonski pomaci u toplinskoj toleranciji mogu biti povezani s promjenama u posttranslacijskoj modifikaciji proteina HMGB1. Zamjena veznog histona H1 s HMGB1 tijekom ranog razvoja (Nightingale i sur., 1996. Ner i sur., 2001.) također može objasniti ekstremnu temperaturnu osjetljivost ranih embrija zbog gubitka kromatinske arhitekture jer se proteini HMGB1 lako denaturiraju na biološki relevantnim temperaturama. Vjerujemo da će daljnja istraživanja uloge HMGB1 u aklimatizaciji temperature vjerojatno dovesti do novog shvaćanja o tome kako eukariotske stanice održavaju homeostazu u uvjetima toplinskog okruženja koje se stalno mijenja.

Zaključno, ove studije ilustriraju korisnost pristupa mikromreža cDNA u eksperimentima u fiziologiji okoliša zasnovanim na hipotezama i "otkrićima" (Gracey i Cossins, 2003.). U prethodnom kontekstu, studije mikromreža mogu otkriti promjene u ekspresiji gena za koje se pretpostavlja da su u osnovi poznatih fizioloških odgovora na temperaturu, npr. u ekspresiji proteina toplinskog šoka i u restrukturiranju staničnih membrana. Jednaka, ako ne i veća važnost u studijama mikročipki je otkriće novih aspekata fizioloških odgovora koje istraživač nije predvidio, na primjer potencijalnih globalnih regulatora ekspresije gena izazvane okolišem i međudjelovanja između normalnih cirkadijalnih uzoraka ekspresije gena i promjena u ekspresija gena nastala kao odgovor na fluktuacije temperature. Tehnologije mikromreža stoga dopuštaju vrstu istraživanja u "molekularnoj prirodnoj povijesti" (Brown i Botstein, 1999.) za koje se čini da će sigurno otvoriti nova kritična područja za proučavanje ekološke i evolucijske fiziologije (Feder i Mitchell-Olds, 2003.).


Antigeni pomak

Naši urednici će pregledati ono što ste podnijeli i odlučiti želite li izmijeniti članak.

Antigeni pomak, genetske promjene koje se javljaju u infektivnom uzročniku koji uzrokuje dramatičnu promjenu proteina zvanog antigen, koji potiče proizvodnju antitijela u imunološkom sustavu ljudi i drugih životinja. Antigenski pomak najopsežnije je proučavan kod virusa gripe tipa A, koji ovu promjenu doživljavaju otprilike svakih 10 godina. Novonastali virusi mogu izazvati epidemije ili pandemije, budući da vrlo mali broj ljudi, ako ih ima, posjeduje imunitet protiv novih antigena.

Do antigenog pomaka dolazi jer virusi influence A imaju veliki rezervoar za životinje, koji se prvenstveno sastoji od divljih vodenih ptica (na primjer, patki). Također se događa jer je RNK genom virusa influence A u obliku osam segmenata, koji su tijekom replikacije virusa podložni vrsti genetske razmjene poznate kao genetsko preusmjeravanje. Ponovno sortiranje može rezultirati antigenskim pomakom kada je posrednički domaćin, poput svinje, istodobno zaražen virusom humane i ptičje gripe A. Nova verzija virusa koja se proizvodi predstavlja novi podtip gripe A i stoga se imunološki razlikuje od virusa influence A koji su cirkulirali u ljudskoj populaciji. Podtipovi influence A razlikuju se po dva glavna antigena glikoproteina, hemaglutininu (H) i neuraminidazi (N), koji postoje na njihovim virusnim omotačima. (H1N1, H3N2 i H5N1 primjeri su podtipova influence A.)

Antigeni pomak može se također dogoditi kada virus influence A skoči izravno s vodenih ptica na ljude ili kada virus pređe s vodenih ptica na ljude kroz posrednog domaćina bez ponovnog sortiranja.

Ovaj je članak posljednji put revidirala i ažurirala Kara Rogers, viši urednik.