Elektromagnetická pole a rytmicita řízená savčím kryptochromem.

Bc. Kristína Briediková

Master's thesis

Electromagnetic Fields and Rhythmicity Controlled by Mammalian Cryptochrome.

Abstract:

The circadian clock is an endogenous mechanism that sets the rhythm of ethological and physiological processes in organisms. Disruption of this clock is known to correlate with a large number of diseases. In this work, we investigated one of the potential clock disruptors, static magnetic fields (MF) of unnatural intensities, and its effect on the circadian clock of the linden bug Pyrrhocoris apterus and cockroach Periplaneta americana. These species possess the mammalian circadian gene Cryptochrome, which belongs to the only group of proteins, that is to this date suspected of magnetosensitivity. The aim of this work was the chronobiological observation of linden bugs under two intensities of unnatural MF (0 μT, 120 μT) and the comparison of daily activity rhythms with the control (50 μT) under constant light or darkness. In cockroaches, the circadian rhythm was observed at a MF with the intensity of 120 μT and compared with the control (0 μT) in darkness. We found that the highest intensity MF caused a shortened day in P. apterus and a prolonged day in P. americana. In the case of P. americana, it also reduced the activity of individuals. We explain the difference by the fact that MF may function similarly as constant light exposition, which causes a shortened period in diurnal species (P. apterus) and a prolonged period in nocturnal species (P. americana). The MF was partially shown to be a zeitgeber, as the application of rhythmic pulses of the MF elicited a rhythmic behavioural response of the same period as that of the field. Notably, MF’s effect was demonstrated under dark conditions, which is inconsistent with the generally accepted hypothesis of magnetoreception in the presence of light. Since MF was indeed able to alter the rhythm of the clock, we confirmed that it functions as a disruptor of the insect clock with mammalian elements. Thus, this work not only provides new insights into the effect of MF on insects but also, because it works with model organisms with a similar type of clock, its findings are potentially applicable to humans. Moreover, the work documents magnetoreception even without access to light, thus showing that the dominant hypothesis of the mechanism of magnetoreception is not the only possible one.

Abstract:

Cirkadiánní hodiny jsou endogenní mechanismus, který určuje rytmus behaviorálních a fyziologických procesů v těle. Je známo, že dirsupce těchto hodin souvisí s velkým počtem onemocnění. V této práci jsme se zabývali jedním potenciálním disruptorem hodin, a to statickým magnetickým polem (MF) nepřirozené intenzity, a jeho vlivem na hodiny ploštice Pyrrhocoris apterus a švába Periplaneta americana. Tyto druhy disponují savčím cirkadiánním genem kryptochromem, který je doposud jedním z jediných navržených magnetosenzitivních proteinů. Cílem této práce bylo chronobiologické pozorování ploštic při dvou intenzitách nepřirozeného MF (0 µT, 120 µT) a porovnání parametrů denních rytmů aktivity s kontrolou (50 µT) za stálého světla nebo tmy. U švábů byl pozorován cirkadiánní rytmus při intenzitě MF 120 µT a byl porovnáván s kontrolou (0 µT) ve tmě. Zjistili jsme, že nejvyšší intenzita MF způsobila zkrácení dne u P. apterus a prodloužení dne u P. americana. U P. americana navíc i snižovala aktivitu jedinců. Tento rozdíl si vysvětlujeme tím, že MF může fungovat podobně jako vystavení stálému světlu, které způsobuje zkrácení periody u denních druhů (P. apterus) a prodloužení periody u nočních druhů (P. americana). Částečně se ukázalo, že MF je časovač, protože aplikace rytmických pulzů pole vyvolala rytmickou behaviorální odpověď o stejné periodě, jakou mělo pole. Je pozoruhodné, že veškerý účinek MF byl prokázán v podmínkách tmy, což je v rozporu s obecně přijímanou hypotézou magnetorecepce v přítomnosti světla. Protože MF skutečně dokázalo změnit rytmus hodin, potvrdili jsme, že dokazatelně působí jako disruptor hmyzích hodin se savčími prvky. Tato práce tedy přináší nejen nové poznatky o účinku MF na hmyz, ale protože pracuje s modelovými organismy s podobným typem hodin, jaké má člověk, jsou její výsledky potenciálně použitelné i pro člověka. Práce navíc dokumentuje magnetorecepci i bez přítomnosti světla, čímž ukazuje, že dosud dominantní hypotéza mechanismu magnetorecepce není jediná možná. <P> Cirkadiánne hodiny sú endogénny mechanizmus zadávajúci rytmus behaviorálnym a fyziologickým procesom v organizme. Je známe, že narušenie týchto hodín koreluje s veľkým množstvom chorôb. V tejto práci sme sa zaoberali jedným z potenciálnych disruptorov hodín, a to statickým magnetickým poľom (MF) neprirodzených intenzít a jeho vplyvom na hodiny ploštice Pyrrhocoris apterus a švába Periplaneta americana. Tieto druhy vlastnia cicavčí cirkadiánny gén kryptochróm, ktorý dodnes patrí do skupiny jediných navrhnutých magnetosenzitívnych proteínov. Cieľom práce bolo chronobiologické pozorovanie ploštíc v dvoch intenzitách neprirodzeného MF (0 μT, 120 μT) a porovnanie parametrov denných rytmov aktivity s kontrolou (50 μT) za konštantného svetla alebo tmy. U švábov sa pozoroval cirkadiánny rytmus v intenzite MF 120 μT a porovnával sa s kontrolou (0 μT) za tmy. Zistili sme, že najvyššia intenzita MF spôsobila skrátenie dňa P. apterus a predĺženie dňa P. americana. U P. americana navyše i znížila aktivitu jedincov. Rozdiel si vysvetľujeme tým, že MF môže fungovať podobne ako expozícia stálemu svetlu, ktorá u denných druhov (P. apterus) spôsobuje skrátenú periódu a u nočných (P. americana) predĺženú. MF sa čiastočne preukázalo ako časovač, keďže aplikácia rytmických pulzov poľa vyvolala rytmickú odozvu správania sa o rovnakej perióde, akú malo pole. Pozoruhodné je, že všetok vplyv MF bol preukázaný v podmienkach tmy, čo sa vylučuje so všeobecne prijímanou hypotézou magnetorecepcie za prítomnosti svetla. Keďže MF bolo skutočne schopné pozmeniť rytmus hodín, potvrdili sme, že dokáže fungovať ako disruptor hmyzích hodín s cicavčími pr

Abstract:

vkami. Táto práca tak prináša nové poznatky nielen o vplyve MF na hmyz, ale pretože pracuje s modelovými organizmami s podobným typom hodín, aké má človek, jej poznatky sú potenciálne aplikovateľné i na človeka. Práca navyše dokumentuje magnetorecepciu i bez prístupu svetla, a tak ukazuje, že doposiaľ dominujúca hypotéza mechanizmu magnetorecepcie nie je jedinou možnou.

Keywords

Pyrrhocoris apterus, Periplaneta americana, cirkadiánní hodiny, cirkadiánne hodiny, circadian clock, kryptochrom, cryptochrome, magnetická pole, magnetické polia, magnetic fields

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 29. 6. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Martin Vácha, Ph.D.
• Reader: Mgr. David Doležel, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Experimental Animal Biology and Immunology / Physiology