Kryptochrom II v magnetorecepci hmyzu

Mgr. Radek Netušil, Ph.D.

Doctoral thesis

Cryptochrome II in insect magnetoreception

Abstract:

Široké spektrum živočichů je schopno používat magnetické pole pro orientaci. Ani po několika desetiletích výzkumu tohoto fenoménu však není spolehlivě prokázán mechanismus, kterým je tento smyslový vjem zprostředkován, ani receptor zodpovědný za detekci magnetického pole. Existují v zásadě 3 modely fungování magnetorecepce. Tím, který sklízí nejvyšší míru pozornosti vědecké komunity, je mechanismus radikálových párů, založený na molekule zvané kryptochrom. Hlavním zaměřením této práce je právě studium zapojení kryptochromu v magnetorecepci hmyzu. V první části jsou prezentovány obecné informace o zemském magnetickém poli a o tom jaké informace poskytuje a jak je možné je využít. Následuje představení magnetorecepce a teoretické modely jejího fungování s důrazem na tzv. mechanismus radikálových párů. V další části je věnována pozornost kryptochromům – jejich struktuře, rozdělení a zapojení v magnetorecepci. Kryptochromy hrají důležitou roli také v řízení cirkadiánních rytmů jak u bezobratlých, tak i obratlovců. V poslední době se ukazuje, že by spolu magnetorecepce a řízení cirkadiánních rytmů mohly být funkčně propojené. Proto je v práci věnována pozornost i zapojení kryptochromů v cirkadiánních hodinách. Jsou zde shrnuty poznatky o různých typech kryptochromů, ale hlavní pozornost je věnována savčímu typu kryptochromu – kryptochromu II. Jde o skupinu proteinů, která je typická pro savce, ale je běžná i u hmyzu. Z hlediska výzkumu smyslových funkcí má hmyz proti savcům řadu výhod. I proto je tato práce věnována roli kryptochromu II právě v magnetorecepci hmyzu. V práci jsou dále prezentovány hlavní výsledky publikací, jichž jsem spoluautorem. Prokázali jsme např. zapojení kryptochromu II v magnetorecepci u švába amerického (Periplaneta americana), rusa domácího (Blatella germanica) a ruměnice pospolné (Pyrrhocoris apterus). Prokázali jsme také propojení magnetorecepce s cirkadiánními rytmy, nebo vliv radiofrekvenčních polí na cirkadiánní rytmy u B. germanica, což jsou nálezy vysvětlitelné v současné době nejlépe právě společným zapojením kryptochromu II. Ukázali jsme také, že zpracování magnetického stimulu do neurální odpovědi je dostatečně rychlé, aby mohlo sloužit rychle se pohybujícímu hmyzu pro orientaci. Pro hledání dosud neznámých fotochemických drah magnetorecepce je důležitý poznatek, který přinesla má prvoautorská publikace, že na světle a kryptochromu II závislá magnetorecepce funguje i po 24 hodinách ve tmě.

Abstract:

A wide range of animals are able to use magnetic fields for orientation. However, even after several decades of research into this phenomenon, neither the mechanism by which this sensory perception is mediated nor the receptor responsible for detecting the magnetic field has been reliably demonstrated. Basically 3 models of how magnetoreception works exist. The one that has received the most attention from the scientific community is the radical pair mechanism, based on a molecule called cryptochrome. The main focus of this thesis is to study the involvement of cryptochrome in insect magnetoreception. The first part presents general information about the Earth's magnetic field, what information it provides and how it can be used. This is followed by an introduction of magnetoreception and theoretical models of its functioning with emphasis on the so-called radical pair mechanism. In the next part, attention is paid to cryptochromes - their structure, classification and involvement in magnetoreception. Cryptochromes also play an important role in the control of circadian rhythms in both invertebrates and vertebrates. Recently, it has been suggested that magnetoreception and circadian rhythm control could be functionally linked. Therefore, the involvement of cryptochromes in the circadian clock is also addressed in this paper. The findings on various types of cryptochromes are summarized, but the main focus is on the mammalian cryptochrome type, cryptochrome II. This is a group of proteins that is typical of mammals but is also common in insects. In terms of sensory research, insects have a number of advantages over mammals. Therefore, the role of cryptochrome II in insect magnetoreception is the focus of this paper. The main results of the publications I co-authored are also presented in this thesis. For example, we have demonstrated the involvement of cryptochrome II in magnetoreception in the American cockroach (Periplaneta americana), German cockroach (Blatella germanica) and the firebug (Pyrrhocoris apterus). We have also demonstrated a link between magnetoreception and circadian rhythms, or the influence of radiofrequency fields on circadian rhythms in insects - findings best explained at present by the common involvement of the cryptochrome. We have also shown that the processing of a magnetic stimulus into a neural response is fast enough to serve fast-moving insects for orientation. Important to the search for previously unknown photochemical pathways of magnetoreception is the finding, brought about by my first-authored publication, that light/cryptochrome II-dependent magnetoreception still works after 24 hours in the darkness.

Keywords

magnetorecepce, kryptochrom, cirkadiánní rytmy, světlo, hmyz, šváb, ruměnice, magnetoreception, cryptochrome, circadian rhythm, light, insect, cocroach, firebug

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 9. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 10. 9. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Martin Vácha, Ph.D.
• Reader: doc. Ing. Vlastimil Hart, Ph.D., prof. Dr. Hynek Burda

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Animal physiology, immunology and developmental biology / Animal physiology, immunology and developmental biology