Evoluce biologických hodin

Prakticky každá buňka v našem těle obsahuje mechanismus, který jí pomáhá sladit vlastní činnost s pravidelným střídáním dne a noci. Cirkadiánní hodiny však neřídí jen spánek a bdění. Ovlivňují také imunitní systém, produkci hormonů, metabolismus nebo například sportovní výkonnost.

Na molekulární úrovni jsou základní principy fungování těchto hodin napříč živočišnou říší překvapivě podobné. Cirkadiánní systém je založen na síti genů a proteinů, které se vzájemně regulují a vytvářejí přibližně čtyřiadvacetihodinové oscilace.

Dospělá ruměnice pospolná (Pyrrhocoris apterus) s vyznačenou polohou mozku (zeleně). Vpravo je pomocí konfokální mikroskopie zobrazen preparovaný mozek, oranžově svítí neurony produkující neuropeptid PDF. Ten je důležitý pro komunikaci mezi jednotlivými neurony, které řídí cirkadiánní rytmy

Snímek Joanna Kotwica-Rolinska, Jan Provazník, David Doležel

Řada z klíčových součástí tohoto systému je evolučně velmi stará. Přesto však příroda nepoužívá jen jedno univerzální řešení. A právě v tomto ohledu je mimořádně zajímavý hmyz. Variabilita v genetické architektuře cirkadiánních hodin mezi různými skupinami hmyzu je překvapivě často větší než rozdíly mezi modelovou octomilkou a člověkem.

Hmyz tak pro nás představuje jedinečnou evoluční laboratoř. Během více než 400 milionů let evoluce příroda opakovaně u hmyzu experimentovala s tím, jak biologické hodiny optimalizovat nebo přizpůsobit specifickým životním podmínkám. V některých případech zřejmě byly původně cirkadiánní mechanismy dokonce „přeprogramovány“ pro měření času na jiných škálách – například pro synchronizaci s přílivovými cykly, lunárními rytmy nebo sezónními změnami prostředí. Studium těchto rozmanitých řešení u nemodelových druhů hmyzu nám umožňuje sledovat, jak evoluce přetváří a dolaďuje složité biologické systémy a jak nachází nové funkce pro molekulární mechanismy, které původně vznikly k měření střídání dne a noci.

Díky výzkumu ruměnice pospolné (Pyrrhocoris apterus) se například podařilo odhalit neobvyklou úlohu genu timeless a objasnit některé klíčové kroky ve změnách cirkadiánního systému hmyzu [1]. U téhož druhu byl pomocí metody RNA interference identifikován protein Taiman jako nová složka cirkadiánních hodin. Ukázalo se, že protein dosud známý především svou rolí ve vývojových a hormonálních drahách může být zároveň důležitou součástí molekulárního mechanismu měřícího čas [2]. Nejde ale jen o biologické hodiny. Náš výzkum pomáhá pochopit, jak obecně probíhá evoluce víceproteinových interakcí a jak vznikají biologické inovace.

[1] Kotwica-Rolinska J. et al., Molecular Biology and Evolution, 2022, DOI: 10.1093/molbev/msab346.

[2] Smýkal V. et al., PLoS Genet., 2023, DOI: 10.1371/journal.pgen.1010924.