在微小甲壳类动物中发现了连接昼夜节律和潮汐节律的基因

麻省大学陈医学院和伍兹霍尔海洋生物实验室的科学家发现了第一个基因——Bmal1，它在调节甲壳类动物 Parhyale hawaiensis 的潮汐节律行为方面发挥着至关重要的作用。潮汐节律有助于动物应对沿海地区潮汐的涨落。

出版于当代生物学神经生物学家 Patrick Emery 博士、Joshua Rosenthal 博士及其同事进行的研究首次证明了昼夜潮汐和生物钟之间的分子联系，同时确立了 P. hawaiensis 作为研究昼夜潮汐节律遗传学的强大新动物系统的地位。

“生物钟对于生物体（包括人类）优化生理机能和使行为适应环境周期至关重要，”麻省大学陈医学院副主任兼神经生物学教授、海洋生物实验室惠特曼中心研究员埃默里博士说。“通过了解这些行为是如何在基因上根植于生物体的，我们可以绘制影响生理和行为的感觉系统和神经回路。”

潮汐每 12.4 小时发生一次。每天两次的潮汐中，一次是由月球对地球的引力引起的，而另一次则是由月球和地球在太空中自转产生的离心力引起的。生活在潮汐地区的海洋动物已经适应了这种每 12.4 小时从干燥环境到水生环境的剧烈转变。

尽管人们早在 20 世纪初就在罗斯科夫蠕虫 (Symsagittifera roscoffensis) 中观察到了潮汐节律，并从 20 世纪 50 年代开始对螃蟹、贻贝和其他海洋物种进行了详细研究，但潮汐钟的分子和遗传基础，以及它与，仍然难以捉摸。

“由于缺乏适合基因敲除和转基因操作的动物模型，科学家无法明确研究昼夜节律钟的分子起源及其与昼夜节律钟的关系”埃默里说。“关于潮汐遗传学的研究屈指可数，而且这些研究既不能肯定也不能排除潮汐遗传学的作用。在动物的潮汐行为中。”

麻省大学陈埃默里实验室的医学博士生 Erica Kwiatkowski 与海洋生物实验室高级科学家 Rosenthal 博士的实验室合作，发现小型甲壳类片足动物 P. hawaiensis 是一种很有前途的模型。为了模拟 P. hawaiensis 的自然环境，研究人员在实验室中为这种一厘米长的动物开发了一个人工潮汐栖息地，使用人工海水，每 12.4 小时从水族馆抽入和抽出一次。

Kwiatkowski 及其同事将两栖动物置于人工潮汐环境中，并使其经历 10 个周期（相当于五天）。一旦它们适应了这些条件，研究人员便将 P. hawaiensis 从人工潮汐环境中移出，并将它们放置在水位恒定的栖息地中。在单独的试管中，研究人员使用红外线记录了这些动物的游泳活动。令人惊讶的是，每隔 12.4 小时，大多数动物（80%）都会在预期涨潮时增加游泳活动，然后在预期退潮时减少活动，尽管它们不再暴露在不断变化的水位中。这表明 P. hawaiensis 中存在控制其运动行为的潮汐生物钟。

海洋生物实验室主任 Nipam Patel 博士的实验室已经开发出 P. hawaiensis 作为研究控制胚胎发育诸多方面（包括肢体形态）的基因的模型生物。

“多年来，Patel 实验室在该生物体中创造了宝贵的资源，例如测序的基因组和使用 CRISPR 敲除基因的方法。尽管最初的意图并不是使用 Parhyale 来研究昼夜节律，但事实证明它非常适合此目的。我们预测，这种生物体将催化该领域的大量未来研究，”Rosenthal 说。

一旦确定 P. hawaiensis 中存在强烈的潮汐节律，Kwiatkowski 和同事便使用 CRISPR/Cas9 引导的基因敲除来寻找与潮汐行为相关的基因。通过敲除单个基因，科学家可以观察到丢失的基因对生物过程的影响。

Kwiatkowski 及其同事利用控制哺乳动物昼夜节律的基因作为寻找潮汐基因的指导，发现敲除昼夜节律基因 Bmal1 会改变夏威夷拟南芥的行为——这种动物不再表现出潮汐游泳行为。相反，它们表现出与潮汐无关的无节律行为。

Kwiatkowski 表示：“Bmal1 是维持夏威夷热带鱼昼夜节律行为的关键组成部分。这是首次有证据表明，参与昼夜节律的基因也参与了昼夜节律。这建立了两个系统之间的分子联系。”

Emery 和同事的下一步是研究 Bmal1 在驱动潮汐行为中发挥的确切作用以及可能涉及的其他基因。

由麻省大学陈曾熙医学院提供