Drosophila에서 radical pair magnetosensitivity의 필수 요소.
Abstract
많은 동물들이 navigation을 위해 지구의 magnetic field (geomagnetic field라고도 함)을 사용한다. magnetosensitivity에 대해 선호되는 메커니즘은 photoreceptor protein CRYPTOCHROME (CRY) 내의 tryptophan residue chain과 flavin adenine dinucleotide (FAD) 사이의 blue-light-activated electron-transfer reaction을 포함한다. 생성된 radical pair의 spin-state, 따라서 활성 상태에서 CRY의 농도는 geomagnetic field에 의해 영향을 받습니다. 그러나 canonical CRY-centric radical-pair mechanism은 많은 생리학적 및 행동적 관찰을 설명하지 못한다.
여기서는 전기 생리학 및 행동 분석을 사용하여 single-neuron and organismal level에서 자기장 반응을 분석한다. 우리는 canonical FAD-binding domain과 ryptophan chain이 없는 Drosophila melanogaster CRY의 52 C 말단 아미노산 residue가 magnetoreception을 용이하게 하기에 충분하다는 것을 보여준다. 우리는 또한 증가하는 intracellular FAD가 C 말단에 의해 매개되는 활동에 대한 blue-light-induced and magnetic-field-dependent effect를 모두 강화한다는 것을 보여준다. 높은 수준의 FAD만으로도 blue-light neuronal sensitivity와 특히 magnetic field와의 공존에서 이 반응의 강화를 일으키기에 충분하다. 이러한 결과는 flies의 primary magnetoreceptor의 필수 구성 요소를 보여주며, non-canonical (즉, non-CRY-dependent) 라디칼 쌍이 세포에서 magnetic-field response를 유도할 수 있다는 강력한 증거를 제공한다.
Figure
Fig. 1: Luc-CT는 magnetosensitivity를 지원하기에 충분하다.
a, (왼쪽) electrophysiology 설정(permanent magnet은 빨간색으로 표시됨, (오른쪽 위), Dmcry를 발현하는 aCC 뉴런의 BL-exposure은 action potential을 증가시킨다. (오른쪽 하단), MF(100mT)가 함께 존재하여 효과를 강화.
b, Dmcry를 표현하는 aCC 뉴런의 relative firing frequency (FF).
c, (왼쪽) tim-GAL4>UAS-Luc-CT;Dmcry02/Dmcry02는 MF에서 기간 단축을 보여준다. (오른쪽) Luc–CT는 BL + MF 처리 후 2배 강화된 BL 유도 발화를 지원한다.
d, (왼쪽) Luc–CT(W536F)는 MF에 노출된 후 상당한 기간 단축을 나타낸다, (오른쪽), Luc–CT(W536F)를 발현하는 aCC 뉴런은 BL 유도 발화에서 두 배의 변화를 보여준다.
Fig. 2: Free FAD는 Luc-CT의 효과를 강화하고, 고농도에서는 magnetosensitivity를 단독으로 지원한다.
a, Luc-CT를 표현하는 aCC 뉴런을 FAD에 노출시키면 BL에 대한 반응이 증가한다
b, FAD(50μM)의 추가는 BL sensitivity를 지원하지만 Luc-CT가 없는 경우 magnetosensitivity는 지원하지 않는다.
c, Luc-CT를 발현하는 aCC 뉴런에 riboflavin (50μM)을 추가하면 BL에 대한 반응을 지원하지만 MF 강화는 지원하지 않는다.
d, Dmcry02-null 백그라운드에서 증가된 FAD(200 µM)는 BL-induced change in firing을 지원한다.
Fig. 3: CTT의 Integrity는 magnetosensitivity를 촉진하는 데 필요하다.
a, CT(아미노산 491-542) 및 CTT(아미노산 521-542)를 포함한 전장 DmCRY의 도메인 구조 도식.
b, clock neuron (tim-GAL4)에서 발현되는 DmcryV531K는 circadian period-shortening assay에서 magnetosensitivity를 지원하지 않는다.
c, aCC 뉴런에서 DmcryV531K의 발현은 BL 감도를 지원하기에 충분하지만 BL + MF 조건에서는 강화되지 않는다.
d, PDZ-binding motif (528-531)를 포함하는 terminal 19 amino acid가 결여된 truncated CRY variant 인 DmcryM의 발현은 300µT MF에 대한 민감도를 지원하지 않는다.
Fig. 4: ErCRY4는 Drosophila에서 MF sensitivity를 지원하기에 충분하다.
a, Drosophila clock neuron에서 Ercry4의 발현(tim-GAL4를 통해)은 300μT MF가 있을 때 상당한 기간 단축을 초래한다.
b, 주기 단축은 50 µT MF에도 존재.
c, BL 대 BL + MF 조건에 대해 Ercry4를 표현하는 aCC motorneuron의 Relative firing-frequency recording.
Disscussion
우리는 몇몇 보고서와 달리 다른 보고서와는 달리 full-length DmCRY가 magnetosensitivity을 매개하기에 충분하지만 엄격하게 필요하지는 않다는 것을 관찰했다. DmCRY C-terminal 52 residue의 발현은 single-neuron and whole-animal assay 모두에서 magnetosensitivity을 지원하기에 충분합니다. 우리의 결과는 animal magnetoreception의 canonical CRY-dependent RPM model (FAD binding 및 Trp 체인을 포함한 full-length CRY에 대한 요구 사항을 기반으로 함)에 도전하지만 RPM과 일치한다. Luc–CT 반응이 FAD에 직접적으로 결합하는지 여부는 여전히 불분명하지만, Luc–CT 반응은 산화환원 반응이 magnetosensitivity의 핵심이라는 점에서 일반적인 biological redox cofactor인 FAD의 cytosolic availability을 증가시킴으로써 강화된다. 우리는 직접적으로 광화학적으로 생성되지 않은 alternative RP가 또한 magnetoreception에 기여할 수 있다는 것을 배제할 수 없으며, 이는 어두운 곳에서 RP-mediated magnetoreception을 보고하는 사례 목록의 증가와 일치할 것이다. Luc-CT와 free FAD 사이의 상승적 상호작용은 전자가 후자에 의해 magnetically derived signal의 전달을 가능하게 하는 complex의 형성을 촉진한다고 주장한다. 더욱이, free FAD 자체는 in vivo에서 magnetic response을 매개할 수 있지만, 높은 비생리학적 수준에서 매개할 수 있다. 우리는 이러한 결과를 해석하여 진화가 CRY의 정의 요소인 CT를 형성하여 RP를 HK와 같은 cellular effector에 근접시켰음을 시사한다. 따라서 protein–protein interaction을 통해 CRY는 관련된 RP에서 geoMF의 약한 활성을 강화할 수 있다. 이와 관련하여 CRY의 주요 역할은 magnetoreceptor가 아닌 magnetotransducer의 역할일 것이다.
Robin ErCRY4가 circadian 및 전기생리학적 분석 모두에서 Drosophila의 MF 효과를 중재할 수 있다는 예상치 못한 관찰은 Drosophila가 magnetoreception의 분자 성분을 해부하는 탁월한 다루기 쉬운 모델 시스템이라고 주장한다. 이것은 Drosophila가 새와 같은 방식으로 항해하고 이동하지 않는다는 점에서 왜 magnetic sense를 가지고 있는지에 대한 의문을 제기했다. 우리의 일주기적 표현형은 다소 인위적이고 MF 효과를 관찰할 수 있는 최상의 기회를 제공하기 위해 민감한 CRY background (dim constant BL)을 사용하려고 하지만, DmCRY는 circadian photoreceptor일 뿐만 아니라 geotaxis을 매개한다. 독자적인 연구에 따르면 geotaxis는 DmCRY-dependent magnetosensitivity을 보여준다. 주목할 만한 결과는 embryo로서 MF에 노출된 Drosophila들이 그들이 발달하는 MF에 각인되고 성인이 되었을 때, 그들은 그들의 집에서 MF54를 아래로 이동하며 먹이를 찾는 것을 선호한다는 것을 시사한다. D. melanogaster는 보통 땅 위에서 발견되는 썩은 과일을 먹이로 삼거나 짝을 짓거나 난생하는 것으로 잘 알려져 있기 때문에, 이 지형적 magnetic sense는 피트니스 가치가 있는 것으로 보인다.
결론적으로, 우리의 관찰은 생물학적 RP에 대한 MF의 오래되고 어디에나 있는 효과를 제안한다. CRY를 통해 진화는 magnetosensing에 필요하지만 반드시 동일한 분자의 일부일 필요는 없는 receptor와 transductor의 두 가지 기능을 결합함으로써 그러한 효과를 최적화했다. Drosophila (그리고 다른 non-migrating animal)가 외부 자기장을 감지할 수 있다는 사실은 많은 독립된 그룹에 의해 보고되었다. 이것은 RP를 형성하기 위한 FAD와 같은 flavin의 물리화학적 특성을 반영하는 것으로 보인다. 항행하는 동물에서 이 메커니즘은 아마도 이러한 행동을 뒷받침하기 위해 조정되었지만 CRY-dependent magnetosensitivity의 근본적인 물리화학적 특성은 navigating and non-navigating animal 사이에서 공유되는 것으로 보인다.