Analýza společných mechanismů magnetorecepce a molekulárních hodin hmyzu.

Ing. Mgr. Přemysl Bartoš, Ph.D.

Doctoral thesis

Analysis of common mechanisms of magnetoreception and molecular clock in insects.

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zabývá společnými mechanismy na světle závislé magnetické citlivosti a vnitřních molekulárních hodin hmyzu. Přestože jsou jednotlivé problematiky intenzivně studovány již po desetiletí, naše znalosti jejich možného funkčního překryvu jsou značně limitované. Právě proto bylo primárním cílem této práce provést jejich prvotní analýzu pro nově se formující vědecké odvětví magnetochronobiologie, studující magnetickou citlivost biologických hodin. Úvodní část této práce popisuje jediný známý společný prvek přítomný v signálních drahách na světle závislé magnetické citlivosti, tak i vnitřních molekulárních hodin – fotoreceptivní molekulu kryptochrom. Další kapitoly shrnují úlohu kryptochromu a jeho známé vlastnosti v mechanismech vnitřních biologických hodin a magnetorecepce - zvláštní schopnosti vnímat magnetické pole Země. Poslední kapitola úvodu se zabývá vzájemnými interakcemi magnetického pole, radiofrekvenčního šumu a načasování biologických procesů. V praktické části této práce je prezentován a diskutován obsah a výsledky našich tří studií. STUDIE I za pomoci technik reverzní genetiky a behaviorálních testů odhaluje dva evolučně odlišné hmyzí signální mechanismy a analyzuje mimo jiné úlohu a zapojení obou typů hmyzího kryptochromu v magnetorecepci a molekulárních hodinách hmyzu. STUDIE II prokazuje, že rychlost přenosu informace o magnetickém poli je dostatečně rychlá na to, aby umožňovala schopnost okamžité magnetické orientace. Navíc společně s výsledky ze STUDIE I jednoznačně prokazuje funkční oddělenost mechanismů magnetické citlivosti a biologických hodin. STUDIE III prokazuje vliv magnetického pole na biologické hodiny a doplňuje další závěry k již existujícím protichůdným výsledkům. Navíc jako úplně první přináší přesvědčivá in-vivo data odhalující vliv slabého radiofrekvenčního šumu na mechanismus biologických hodin.

Abstract:

This dissertation thesis deals with common mechanisms of a light-dependent magnetic sense and endogenous molecular clock in insects. Although both fields have been separately intensively studied over the decades, the overall knowledge of their possible overlap is very limited. Therefore the primary goal of this thesis is to bring some initial analysis to recently formed scientific field targeting the magnetic sensitivity of biological clock which might be called magneto-chronobiology. The introductory part of this work describes the only known interconnecting element present in signalling pathways of both light-dependent magnetic sense and endogenous molecular clock mechanisms - the photoreceptive protein Cryptochrome. The work further summarises Cryptochrome role and known properties in mechanisms of endogenous biological clock and the ability to perceive Earth´s magnetic field. The last introductory chapter deals with known mutual relationship of the magnetic field, radiofrequency noise and self-sustaining biological timing control. As a practical part of the work our three studies are presented and discussed. STUDY I using behavioural and reverse genetics approaches identifies two evolutionarily distinct insect clock signalling mechanisms. It analyses, among others, roles and involvement of both types of insect Cryptochromes in magnetoreception and the molecular clock. STUDY II shows that signal transduction speed of magnetic information is swift enough to provide necessary information about magnetic field conditions allowing immediate magnetic orientation. Moreover, together with findings of STUDY I it shows, that magnetic sense and the biological clock does not possess any functional overlap. STUDY III gives the evidence of magnetic field impact on the biological clock and adds new results to recent contradictory findings. Furthermore it brings original in vivo data revealing the effect of weak radiofrequency noise on biological clock mechanism.

Keywords

cirkadiánní rytmus, vnitřní hodiny, magnetorecepce, magnetochronobiologie, kryptochrom, mechanismus radikálových-párů, radiofrekvenční pole, přenos signálu, circadian rhythm, endogenous clock, magnetoreception, magnetochronobiology, cryptochrome, radical-pair mechanism, radiofrequency field, signal transduction

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 8. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 6. 9. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Martin Vácha, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Hynek Burda, CSc., doc. PharmDr. Alena Sumová, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology