Investigando a sincronização fótica na natureza

Daily rhythms are observed in the majority of organisms, following day/night variations in their environment. Some of those rhythms are endogenously generated by oscillators which synchronize to environmental cycles, by means of entrainment. The daily light/dark cycle, recognized as an important synchronizing agent for various species, is frequently studied by protocols with alternating phases of 12 hours of light and 12 hours of darkness, which is not the real condition experienced in nature. For some animals, the dynamics of out-of-den activity and the sensitivity of photoreceptive pathways might modify the exposure to the light/dark cycle. Despite its importance, synchronization by light/ dark cycles cannot fully predict the activity pattern in the field, due to the effect of other environmental factors on the final activity/rest rhythmA maioria dos organismos apresenta ritmos diários que acompanham variações diárias no ambiente. Alguns destes ritmos, denominados circadianos, são gerados por osciladores endógenos e sincronizados por ciclos ambientais, por meio de arrastamento. O ciclo claro/escuro diário, reconhecidamente importante como agente sincronizador em várias espécies, é normalmente estudado em laboratório sob a condição de 12 horas de claro e 12 horas de escuro, que não representa a condição a que os organismos estão expostos na natureza. Para alguns animais, os horários de atividade fora dos abrigos e a sensibilidade do sistema fotorreceptor podem modificar a exposição ao ciclo de iluminação. Apesar da sua importância, a sincronização pelo ciclo claro/escuro não explica totalmente o padrão temporal de atividade em campo, devido a outros fatores que modificam a expressão final do ritmo de atividade/repous

Regulação da expressão gênica nas engrenagens do relógio circadiano de mamíferos

The expression of biological rhythms in most organisms is recognized since antiquity, but the basic principles responsible for their generation have only been unraveled from the last century on. In this context, a great mark was the discovery of a net of genes whose transcription and translation processes are regulated between each other and constitute the basic machinery of the endogenous oscillatory system. This review aim to describe how this machinery works in mammals, detailing its current components, and how it is propagated all over the organism.A manifestação de ritmos biológicos nos mais diversos organismos é reconhecida desde a antiguidade, mas os princípios básicos responsáveis por sua geração começaram a ser desvendados somente no século passado, e continuam até os dias atuais. Nesse contexto, um grande marco foi a descoberta de uma rede de genes cujos processos de transcrição e tradução são regulados entre si e que constituem a maquinaria básica do sistema oscilatório endógeno. Esta revisão visa descrever o funcionamento desta maquinaria em mamíferos, detalhando seus atuais componentes e como isso se propaga para todo o organismo

Photic and non-photic synchronization of the circadian rhythms in subterranean rodents (Ctenomys aff. knighti) and laboratory model rodents (Mus musculus)

Nosso grupo de pesquisa estuda ritmos circadianos em um roedor subterrâneo do gênero Ctenomys, o tuco-tuco. Nesta tese, apresentarei dados sobre sincronização fótica e não-fótica dos ritmos circadianos em tuco-tucos, e sobre sincronização não-fótica em camundongos. Investigamos a sincronização fótica em tuco-tucos por meio de uma abordagem conjunta de campo e laboratório. Inicialmente medimos o ciclo claro/escuro natural percebido por animais mantidos em áreas cercadas em campo, utilizando aparelhos light loggers que registraram continuamente o padrão temporal diário da exposição à luz. Em seguida, foi aplicado um modelo desse padrão de exposição à luz em laboratório, para testar o seu potencial como um sincronizador fótico dos ritmos circadianos dos tuco-tucos. O modelo consistiu em pulsos de luz aplicados uma vez por dia em diferentes momentos aleatórios. Apesar de carregar o mínimo de informação temporal, esse regime luminoso foi um sincronizador eficiente em muitos casos, tal como previsto anteriormente a partir de simulações computacionais de um oscilador matemático. Os resultados revelam que a sincronização de osciladores circadianos é ainda mais robusta do que se imaginava. Nosso segundo conjunto de experimentos avaliou a sincronização não-fótica em tuco-tucos, os quais são herbívoros, expostos a ciclos diários de disponibilidade de alimentos. Semelhante a outras espécies de roedores, tuco-tucos desenvolveram uma atividade antecipatória ao alimento, expressa diariamente antes da alimentação. Houve, no entanto, grande variabilidade inter-individual na expressão da atividade antecipatória, provavelmente relacionada com diferenças nas respostas metabólicas à restrição temporal do alimento. O trabalho final foi uma colaboração com o Dr. Shin Yamazaki, sobre sincronização não-fótica em camundongos do tipo selvagem e camundongos mutantes com ablação genética do relógio circadiano. Ciclos diários de alimentos palatáveis e de corrida em roda induziram ritmicidade autossustentada em camundongos mutantes arrítmicos, que não expressavam os genes Period, componentes importantes da maquinaria molecular que gera os ritmos circadianos nas células. Estes resultados sugerem a existência de novos osciladores circadianos que respondem a sinais diários de recompensa. Enquanto espécies modelo de laboratório, tais como o camundongo, podem trazer informações valiosas sobre os mecanismos fisiológicos, as espécies selvagens como o tuco-tuco podem nos dar pistas sobre o significado ecológico dos fenômenos circadianosOur research group studies circadian rhythms in a subterranean rodent from the genus Ctenomys, the tuco-tuco. In this thesis, I will present data on photic and non-photic synchronization of circadian rhythms in tuco-tucos, as well as a study on non-photic synchronization in the laboratory mouse. Natural photic synchronization in tuco-tucos was verified with field and laboratory approaches. We initially measured the natural light/dark cycle experienced by tuco-tucos in semi natural field enclosures, by means of automatic light logger devices that continuously recorded the daily temporal pattern of light exposure. Next, a model of this light exposure pattern was applied to tuco-tucos in the laboratory, to test its potential as a photic synchronizer of the circadian rhythms. The model consisted of single light pulses applied once a day at varying random times. Despite the minimal timing information, this light regimen was a successful synchronizer in many instances, as predicted from previous computer simulations of a mathematical oscillator. These results revealed that the synchronization of circadian oscillators is even more robust than previously thought. Our second set of experiments evaluated the non-photic synchronization in the herbivorous tuco-tucos, by exposing animals to daily cycles of food availability. Similar to other rodent species, tuco-tucos in this protocol developed a circadian food anticipatory activity (FAA) right before the daily feeding time. However, there was great interindividual variability in FAA expression, likely related to differences in the metabolic responses to time-restricted feeding. The final work was a collaboration with Dr. Shin Yamazaki from the University of Texas Southwestern Medical Center, regarding non-photic synchronization in wildtype and mutant mice with genetic disruption of the circadian clock. Daily cycles of palatable food and wheel running induced self-sustaining rhythmicity in arrhythmic mutant mice, which do not express the Period genes, key components of the molecular machinery responsible for circadian rhythm generation within the cells. These results suggest the existence of novel circadian oscillators responsive to daily rewarding signals. While model laboratory species such as the mouse can bring valuable information on physiological mechanisms, wild species like the tuco-tuco can give us insights into the ecological meaning of circadian phenomen

The photic synchronization of a subterranean rodent: a field/lab chronobiological study of the tuco-tuco (Ctenomys cf. knighti)

As variáveis biológicas de muitos seres vivos apresentam ritmos diários, em paralelo ao dia e à noite do ambiente. A maioria desses ritmos não é uma mera reação aos estímulos cíclicos do ambiente: eles são ritmos circadianos gerados endogenamente por um temporizador interno - o oscilador circadiano - que sustenta uma ritmicidade com período diferente de 24 horas na ausência de pistas ambientais, mas se sincroniza para um período de 24 horas quando exposto ao ambiente cíclico. Em mamíferos, o oscilador circadiano se localiza no cérebro e pode ser sincronizado pelo ciclo diário de claridade e escuridão (ciclo CE) do dia e da noite transmitido através das retinas. Animais subterrâneos passam boa parte do tempo abaixo da terra, onde as condições ambientais variam menos que na superfície. Em razão disso, questiona-se até que ponto estes animais mantêm ritmos circadianos e se seus osciladores circadianos se baseiam no ciclo CE para se sincronizar com o ambiente. Procuramos responder essas questões nos roedores subterrâneos da espécie Ctenomys cf. knighti (tuco-tucos). Em campo, realizamos observações visuais diretas para registrar o padrão temporal de exposição à luz. Em laboratório, construímos a Curva de Resposta de Fase (CRF), que consiste em medir indiretamente a resposta do oscilador circadiano a estímulos luminosos em diferentes momentos do dia. Por fim, recorremos a simulações computacionais de um modelo matemático de oscilador, para integrar os dados anteriores. Verificamos, em campo, que os tuco-tucos se expõem, diariamente, a pulsos de luz irregularmente distribuídos nas horas claras do dia levantando alguns questionamentos sobre sua capacidade como sincronizador dos ritmos em campo. Contudo, a CRF nos indicou que o sistema circadiano dos tuco-tucos responde a estímulos luminosos de forma semelhante aos animais não-subterrâneos. Nós verificamos 3 hipóteses: ou a informação da exposição à luz em campo é suficiente para sincronizar o oscilador circadiano, apesar da aparente irregularidade; ou a CRF do tuco-tuco possui alguma característica que facilita a sincronização pelo regime observado de exposição à luz; ou seu sistema circadiano se baseia em outra pista temporal do ambiente para se manter sincronizado. Nossas simulações computacionais indicaram que a primeira hipótese é a mais provável, visto que os padrões de exposição à luz simulados, como aqueles observados em campo, com o mínimo de informação temporal, ainda assim são suficientes para sincronizar os osciladores. Em conjunto, nossos dados indicam que o ciclo claro-escuro tem um papel importante na sincronização dos ritmos circadianos dos tuco-tucos na natureza.Daily rhythms are found in the biological variables of many organisms, in parallel to the environmental day and night. Most of those rhythms are not mere reactions to the cyclic stimulus of the environment. They are actually circadian rhythms, endogenously generated by an internal timer, the circadian oscillator, which sustains a non-24-hour rhythm under constant conditions, but is synchronized to a 24-hour period when exposed do a cyclic environment. In mammals, this oscillator is located in the brain, and can be synchronized by the daily light-dark cycle (LD cycle) of day and night. Subterranean animals remain most of the time in an underground habitat, where environmental conditions vary less markedly than aboveground. Therefore, there are doubts whether these animals maintain circadian rhythms and whether their circadian oscillators rely on the LD cycle for environmental synchronization. We attempted to answer those questions in subterranean rodents of the species Ctenomys cf. knighti (tuco-tucos). In the field, we performed direct visual observations to assess their temporal pattern of light-exposure. In the lab, we build the Phase Response Curve (PRC), which consists in an indirect measurement of the circadian oscillator responses to light stimuli applied at different times of the day. Finally, computer simulations of an oscillator model were used to integrate these previous data. We verified that tuco-tucos expose themselves to light pulses that are irregularly distributed through day-light hours, raising some questions about its validity as an environmental synchronizer. However, the PRC results indicated that the tuco-tucos circadian system responds to light stimuli in a way similar to non-subterranean animals. We then verified three hypothesis: either the light-exposure temporal information was enough for the synchronization of the circadian system, despite its apparent irregularity; or the tuco-tuco\'s PRC present some feature that facilitates the synchronization by the observed light-exposure regimen; or the tuco-tuco\'s circadian system rely on another environmental temporal cue to maintain its synchronization. Our computer simulations support the first hypothesis, given that the simulated regimens, despite being little informative in the temporal sense, were still sufficient to synchronize the simulated oscillators. Together, our data indicate that the light-dark cycle plays an important role in the synchronization of the tuco-tucos\' circadian rhythms in nature