Майкл Менакер

Майкл Менакер (19 мая 1934 - 14 февраля 2021), ^[1] был американским исследователем хронобиологии и профессором биологии Содружества в Университете Вирджинии . Его исследования были сосредоточены на циркадной ритмичности позвоночных, включая содействие пониманию путей поступления света на фоторецепторы вне сетчатки позвоночных, не являющихся млекопитающими, обнаружение у млекопитающих мутации циркадной ритмичности ( тау- мутация у золотых хомяков ) и определение местонахождения циркадного осциллятора в шишковидной железы птицы. Он написал почти 200 научных публикаций. ^[2]

ранняя жизнь и образование

Менакер вырос в Нью-Йорке и учился в Свортмор-колледже .

После окончания Свортмор-колледжа в 1955 году со степенью бакалавра биологии Менакер поступил в Принстонский университет . ^[3] В лаборатории Колина Питтендрига, ^{[4] [5]} отца исследований биологических часов , Менакер изучал эндогенный циркадный ритм летучих мышей ( Myotis lucifugus ). ^[6]

Он окончил Принстонский университет со степенью доктора философии. в 1960 г. и продолжил обучение в докторантуре в лаборатории Дональда Гриффина ^[5] в Гарвардском университете . ^[3] По мере того, как он продолжал изучать летучих мышей, его интерес сместился с циркадных ритмов на режимы гибернации. ^[7] Когда Менакер поступил на факультет Техасского университета в Остине в 1962 году ^[4], он перешел к изучению циркадных ритмов у домашнего воробья ( Passer domesticus ) ^[8] и золотого хомяка ( Mesocricetus auratus ). ^[9]

Академическая карьера

Менакер занимал академические должности в университете Техаса, Университета штата Орегон , а совсем недавно, в Университете штата Вирджиния , где он был Содружества профессор биологии с 1987 года ^[3] Он служил в качестве председателя биологии департамента Вирджинии из 1987–1993 годы. ^[3] Он обучал нескольких экспертов в области хронобиологии, в том числе Джозефа Такахаши , ^[10] заведующего кафедрой неврологии Юго-западного медицинского центра Техасского университета; Хайди Хамм, заведующая кафедрой фармакологии Университета Вандербильта; и Карл Джонсон, профессор биологических наук в Университете Вандербильта. Он является автором почти 200 статей и более 60 лет финансирует свои исследования в виде грантов. ^[5]

Научная работа

Обнаружение экстраретинальных фоторецепторов у домашнего воробья

В 1968 году Менакер предоставил доказательства существования экстраретинальных фоторецепторов, которые были достаточными для фотоэнтренмента, путем измерения ритмического локомоторного поведения в качестве выходного сигнала циркадных часов домашних воробьев ( Passer domesticus ). Он продемонстрировал, что фотоэнтренмент может происходить в отсутствие нейронов зрительного нерва, что свидетельствует о наличии фоторецепторов вне сетчатки, связанных с циркадными часами Домового Воробья. ^[11] В этом эксперименте двусторонняя энуклеациякомнатные воробьи подвергались искусственному циклу свет-темнота. Их держали в постоянной темноте, чтобы определить период их автономного бега, и впоследствии позволяли уловить световые сигналы. Двигательную активность регистрировали, наблюдая за поведением воробьев в сидячем положении. Он проверил три возможных смешанных переменных для вовлечения: (1) колебания температуры, (2) постэнуклеационные фрагменты сетчатки, оставшиеся в глазу, и (3) эктопаразиты, которые могут передавать световую информацию посредством своих движений в коже птиц. Чтобы изучить влияние температуры на циркадные ритмы, Менакер подвергал энуклеированных воробьев воздействию электролюминесцентной лампы.панель. Менакер обработал воробьев антипаразитарным средством Dry-Die, чтобы устранить любые возможные эффекты переноса света эктопаразитами. Поскольку воробьи не уносились во время тестов на колебания температуры, а воробьи оставались захваченными через 10 месяцев после энуклеации, точка, в которой любой избыток функциональной сетчатки был бы деградирован, Менакер исключил эти возможные мешающие переменные. ^[8] Лаборатория Менакера пришла к выводу, что воробьи способны улавливать световые сигналы окружающей среды. Эти результаты демонстрируют, что световые рецепторы сетчатки не являются необходимыми для фотоэнтренмента , указывая на то , что есть фоторецепторы вне сетчатки, способствующие циркадной локомоторной активности. Выводы Менакера на энуклеированных воробьях согласуются сПравило Ашоффа , и он пришел к выводу, что сетчатка и экстраретинальный рецептор (рецепторы) вносят свой вклад в процесс фотоэнтерренментации.

Шишковидная железа как место для циркадного осциллятора у домашнего воробья

В 1979 году Менакер и Натил Хедрик Циммерман расширили предыдущую работу Менакера с домашними воробьями, исследуя влияние шишковидной железы и гипоталамуса на циркадные ритмы. Они пересадили шишковидную ткань одного воробья в переднюю камеру глаз аритмичного воробья, подвергнутого удалению пинеальной железы. Перед процедурой трансплантации птицы-доноры были увлечены фотопериодом 12:12 свет: темнота.цикл. Это позволило им сравнить начало активности доноров до трансплантации шишковидной железы и реципиентов после трансплантации, измеренное по типу усаживания. После трансплантации ткани эпифиза у ранее аритмичных воробьев восстановилась ритмичность. Фактически, их восстановленные циркадные колебания напоминали паттерн циркадных колебаний двигательной активности донорских воробьев. У 20% воробьев, перенесших успешную трансплантацию, наблюдалась временная аритмичность в постоянной темноте в течение периода от 10 до 100 дней, которая не всегда была равномерно распределена в течение 24-часового дня; однако воробьи со временем снова стали ритмичными. ^[12] Менакер пришел к выводу, что шишковидная железа является движущим осциллятором в многокомпонентной системе.

Открытие тау-мутации у золотых хомяков

В 1988 году Мартин Ральф и Менакер по счастливой случайности наткнулись на тау-мутанта самца золотого хомячка, поставленного их коммерческим поставщиком, Charles River Laboratories , у которого, как было установлено, циркадный период значительно короче, чем у этой породы. Эти золотые хомяки известны своим узким диапазоном периодов с типичным средним значением 24 часа. ^[13]Таким образом, вместо того, чтобы не обращать внимания на этого ненормального самца хомячка, Менакер провел эксперименты по разведению для получения гомозиготных мутантов тау с периодом 20 часов и гетерозиготных мутантов тау с периодом 22 часа. Тип наследования от этого укороченного тау-белка указывает на то, что генетическая причина этого фенотипа была изолирована от одного аллеля, обеспечивая генетический подход к определению биологического механизма. ^[14] Этот случайный прямой генетический скрининг дал первый образец, который можно было изучить для генетического понимания циркадных механизмов млекопитающих.

Первым важным открытием этого штамма было то, что осциллятор должен был располагаться в супрахиазматическом ядре (SCN). ^[14] Чтобы проверить этот вывод, Менакер и его коллеги провели эксперименты, в которых SCN от тау-мутантного хомяка трансплантировали через нервный трансплантат хомячку дикого типа с удаленным SCN. После этой процедуры у хомячка ранее дикого типа наблюдался укороченный период, напоминающий мутант тау. Этот результат привел к выводу, что SCN достаточен и необходим для циркадных ритмов млекопитающих. ^[14]

Дальнейшее исследование SCN как центральной структуры циркадных ритмов Silver и соавт. обнаружили, что SCN может контролировать циркадную ритмику с помощью диффузного сигнала. ^[15] Они трансплантировали SCN, как это делал ранее Менакер, но они инкапсулировали трансплантат, предотвращая разрастание мутантных нейронов SCN. Даже при таком ограничении SCN хомяк дикого типа демонстрировал более короткий период, соответствующий периоду SCN, предоставленного мутантным тау-хомяком, что позволяет предположить, что SCN испускает диффундирующие факторы для контроля циркадных ритмов. ^{[15] В} том же году Джанлука Тозини и Менакер также определили, что сетчатка хомячка, выращенная in vitro, вырабатывала устойчивый циркадный ритм, измеренный по уровню мелатонина. ^[16] Это говорит о том, что существует несколько осцилляторов или несколько нейронов, составляющих один осциллятор, достаточный для циркадных выходов.

Молекулярная идентификация локуса тау

По-прежнему было неясно, в каком именно генетическом локусе была обнаружена тау-мутация и на какой белок она повлияла. В 2000 году Менакер сотрудничал с другими учеными в этой области, чтобы использовать генетически направленный анализ репрезентативных различий (GDRDA), новый метод в молекулярной генетике, который позволил им достичь этой цели. ^[17]

GDRDA работает, сначала генерируя полиморфные генетические маркеры для моногенного признака (которым уже было доказано, что это тау-белок), который может быть непосредственно идентифицирован в геноме. Это делается путем отделения потомства от скрещивания на основе интересующего фенотипа и последующего создания ампликонов объединенной ДНК из каждой группы. С помощью этих групп амплифицированной ДНК можно определить, какие локусы обогащены в группе, проявляющей интересующий фенотип. Эти обогащенные локусы являются генетическими маркерами интересующего признака.

Генетические маркеры для мутантов тау картированы на хромосоме 22. Областью консервативной синтении был ген казеинкиназы I epsilon (CKIe). Это согласуется с гомологий CKIe к в дрозофилы циркадный контроля гена DoubleTime ( DBT ). В этой работе также было показано, что CK1e может взаимодействовать с белком PERIOD млекопитающих in vitro и влиять на экспрессию Per1 . На основе этой работы лаборатория Takahashi успешно проверила мутант тау генетически, обнаружив пораженный локус, а затем создала модель взаимодействия циркадных белков, с помощью которой можно объяснить эффекты мутации тау.

Установление метамфетамин-чувствительного циркадного осциллятора (MASCO) у мышей

Хотя предыдущие исследования демонстрируют, что метамфетамин (MAP) оказывает значительное влияние на циркадное поведение крыс, предполагая наличие SCN-независимого, MAP-чувствительного циркадного осциллятора (MASCO), Менакер и его коллеги решили изучить MASCO у мышей. ^[18] В работе, проделанной Менакером и его коллегами, изучалось влияние хронической экспрессии MAP на двух линиях мышей, интактных и поврежденных SCN, в условиях постоянной темноты и постоянного освещения.

MAP в питьевой воде вызывал циркадную локомоторную ритмику у мышей с поражением SCN. Когда MAP был удален, свободный локомоторный ритм сохранялся в течение четырнадцати циклов. Это исследование также показало, что небольшое увеличение MAP вызывало увеличение ежедневной активности колес и продолжительности циркадного периода для интактных мышей и мышей с поражением SCN в условиях постоянной темноты и постоянного освещения. Наблюдения Менакера и его коллег показывают, что MASCO, циркадный осциллятор, функционирует отдельно от «главных часов» SCN и достаточен для контроля локомоторного циркадного ритма.

Это исследование опровергает гипотезу механизма «песочных часов» для MASCO, предложенную Руисом и др. Эта гипотеза утверждает, что самопроизвольное потребление MAP грызунами с питьевой водой приводит к удлинению приступов активности с последующим сном. Цикл усиливается, когда животное просыпается и снова пьет. ^[19] Менакер и его коллеги протестировали аритмичных мышей с поражением SCN в постоянной темноте и обнаружили, что, когда MAP больше не потреблялся с ритмическими интервалами, постоянные ритмы в двигательном поведении сохранялись. В другом испытании MAP чередовали с водой через день, и двигательный ритм сохранялся в дни, когда использовалась только вода. Оба этих открытия ясно показали, что гипотеза о «песочных часах» механизма MASCO не действительна. ^[20]

Молекулярный механизм МАСКО

Менакер и его коллеги исследовали, влияет ли MASCO на петлю молекулярной обратной связи, лежащую в основе принятой в настоящее время модели циркадной ритмичности у млекопитающих. Это исследование было проведено путем лечения мышей с аритмией, лишенных или имеющих мутации различных генов в этой петле обратной связи, дозами MAP. Эти гены включали мутации и делеции в Per1, Per2, Cry1, Cry2, Bmal1, Npas2, CLOCK.и CK1e. Все эти мутанты продолжали отвечать и демонстрировать изменения в свободных ритмах в присутствии MAP, несмотря на мутационные разрывы в петле обратной связи для циркадных колебаний. У этих аритмичных животных, независимо от мутации или нокаута критических генов часов, MAP восстанавливает ритм циркадных свойств. Это говорит о том, что молекулярный механизм MASCO радикально отличается от известной и принятой модели циркадных колебаний у млекопитающих, и петля обратной связи не является необходимой для генерации циркадной локомоторной ритмики с помощью MAP. ^[21]

Позже работа

Группа лаборатории Менакера в Университете Вирджинии была сосредоточена на организации циркадных систем у позвоночных. Лаборатория работает с моделью трансгенных крыс с геном Per1, связанным с репортером люциферазы, чтобы отслеживать паттерны циркадной экспрессии гена Per1 в головном мозге и периферических тканях. Они ожидают, что эти данные будут адресованы, если часы во всех тканях будут оставаться синхронными с изменением светового цикла и связанными с часами сигналами от мозга к периферическим тканям [1] .

Менакер обнаружил еще одного хомячка-мутанта, на этот раз показавшего 25-часовой период автономной работы в условиях постоянной темноты. ^[22] Аспирантка Менакера, Эшли Мур, была ассистентом преподавателя на курсе поведения животных его коллеги, когда студентка бакалавриата настояла на обмене своего хомяка на того, у которого был период, более похожий на период у хомяков ее одноклассников. Менакер скрестил этого мутантного хомяка с тремя разными самками, чтобы получить пометы с мендальскими соотношениями мутантов дикого типа и гетерозиготных. Впоследствии он вывел гомозиготных мутантов с периодом автономной работы 28 часов. Лаборатория Менакера в настоящее время сотрудничает с лабораторией молекулярной биологии Карлы Грин в Юго-западном медицинском центре Техасского университета для дальнейшего изучения этой мутантной линии хомяков. ^[22]

Награды и награды ^[7]

• Уильям Грейг Лэпэм, научный сотрудник Принстонского университета , 1957–1958 гг.
• Научный сотрудник Национального научного фонда, Принстонский университет , 1958–1959 гг.
• NIH, докторская стипендия NSF, Гарвардский университет , 1960-1962 гг.
• Премия за развитие карьеры, Национальные институты здравоохранения , 1970-1975 гг.
• Стипендия Гуггенхайма, Университет Монпелье , Франция, 1971-1972 гг.
• Член Американской ассоциации развития науки , избран в 1983 г.
• Бенджамин Микер Приглашенный профессор, Бристольский университет , Великобритания, 1986 г.
• Профессор Содружества по биологии, Университет Вирджинии , 1987–?
• Член Японского общества содействия науке , 1992 г.
• Член Американской академии искусств и наук , избран в 1999 г.
• Премия за заслуги перед жизнью, Американское общество фотобиологии, 2002 г.
• Премия «Выдающиеся ученые и промышленники Вирджинии: за достижения в области науки», 2003 г.
• Премия Питера К. Фаррелла в области медицины сна, Отделение медицины сна Гарвардской медицинской школы , 2007 г.
• Премия выдающегося ученого Университета Вирджинии, 2009 г.
• Почетный доктор Гронингенского университета , 2009 г.
• Фонд наук о жизни Хонма, Саппоро, Япония, Премия Ашоффа-Хонма, 2009 г.

Смотрите также

• Колин Питтендрай
• Генный блок
• PER1
• Циркадный ритм

использованная литература