Stevena M. Repperta
Stevena M. Repperta | |
|---|---|
| Urodzić się |
4 września 1946 |
| Obywatelstwo | Stany Zjednoczone |
| Alma Mater | |
| Znany z |
|
| Kariera naukowa | |
| Pola | |
| Instytucje |
|
Steven M. Reppert (ur. 4 września 1946) to amerykański neurolog znany ze swojego wkładu w dziedziny chronobiologii i neuroetologii . Jego badania koncentrowały się przede wszystkim na fizjologicznych, komórkowych i molekularnych podstawach rytmów okołodobowych u ssaków, a ostatnio na mechanizmach nawigacyjnych wędrownych motyli monarchów . Był profesorem neurologii Higgins Family na University of Massachusetts Medical School od 2001 do 2017 oraz od 2001 do 2013 był kierownikiem założycielskim Zakładu Neurobiologii. Reppert ustąpił ze stanowiska przewodniczącego w 2014 roku. Obecnie jest wybitnym emerytowanym profesorem neurobiologii.
Biografia
Wczesne życie
Steven Reppert dorastał w wiosce Pender w Nebrasce i ukończył Pender Public High School w 1964 roku. Jego zainteresowanie naukami ścisłymi zaczęło się w dzieciństwie od ćmy cecropia — owada rozsławionego przez biologa z Harvardu, Carrolla M. Williamsa , który wykorzystywał ćmę w swojej pionierskiej pracy nad rolą hormonu młodzieńczego w linieniu i metamorfozie. Reppert każdego lata kontynuuje hodowlę cekropii od jaja do postaci dorosłej.
Edukacja i kariera
Reppert uzyskał tytuł licencjata i lekarza medycyny w 1973 roku (z wyróżnieniem) na University of Nebraska College of Medicine i został wybrany jako student medycyny do Alpha Omega Alpha Honor Medical Society . Od 1973 do 1976 odbył staż i rezydenturę w pediatrii w Massachusetts General Hospital . Od 1976 do 1979 Reppert był adiunktem w neuroendokrynologii w Narodowym Instytucie Zdrowia Dziecka i Rozwoju Człowieka w Bethesda w stanie Maryland, w laboratorium Davida C. Kleina, które koncentruje się na szyszynce i biologii okołodobowej. Reppert był wykładowcą w Massachusetts General Hospital i Harvard Medical School od 1979 roku i został awansowany na profesora w 1993 roku; kierował Laboratorium Chronobiologii Rozwojowej w Massachusetts General Hospital od 1983 do 2001, kiedy to przeniósł się do University of Massachusetts Medical School.
Badania
Reppert opublikował ponad 180 artykułów. Jest głównym wynalazcą siedmiu patentów pochodzących z jego badań.
Zegary okołodobowe płodu
Badania na gryzoniach wykazały, że główny zegar mózgowy w jądrze nadskrzyżowaniowym (SCN) działa u płodu, zanim mózg płodu będzie w stanie zarejestrować obecność światła. Reppert i współpracownicy poinformowali, że SCN płodu jest przenoszony do cyklu światło-ciemność, zanim szlak siatkówkowo-podwzgórzowy unerwi SCN z oka. To odkrycie wskazuje, że matka i jej porywanie do cykli światła i ciemności otoczenia dostarcza płodowi niezbędnych informacji do synchronizacji. Jak stwierdza Reppert: „Mama funkcjonuje jako przetwornik rytmu dobowego płodu. Przyjmuje informacje o świetle do swojego systemu dobowego, a następnie przekazuje je do systemu dobowego płodu”. To porywanie płodu utrzymuje się w okresie poporodowym i zapewnia, że wzorce zachowań noworodków są odpowiednio dostrojone do środowiska. Dopamina i melatonina mogą działać jako okołoporodowe sygnały porywania matki.
Zegary okołodobowe ssaków
Steven Reppert i współpracownicy wnieśli przełomowy wkład, który zapewnia wgląd w mechanizm zegara okołodobowego ssaków.
Autonomia komórki w SCN
Reppert i współpracownicy odkryli, że SCN zawiera dużą populację autonomicznych, jednokomórkowych oscylatorów okołodobowych. Hodowali komórki noworodków szczurzych SCN na stałym układzie mikroelektrod , co pozwoliło im monitorować aktywność poszczególnych neuronów SCN w hodowli. Rytmy okołodobowe wyrażane przez neurony w tej samej kulturze nie były zsynchronizowane, co wskazuje, że funkcjonowały one niezależnie od siebie.
Funkcje mysich genów zegarowych: PERIOD2 i PERIOD3
Reppert i współpracownicy odkryli również mysie geny zegarowe mPer2 i mPer3 i zdefiniowali ich funkcje. Odkryli, że mPER2 i mPER3 , jak również wcześniej odkryte mPER1 , mają kilka wspólnych regionów homologii między sobą oraz z Drosophila PER. Reppert i współpracownicy odkryli różne reakcje na światło wśród trzech Per . W przeciwieństwie do poziomów mRNA mPer1 i mPer2 , mPer3 Poziomy mRNA nie są gwałtownie zmieniane przez ekspozycję na światło podczas subiektywnej nocy. Odkryli również, że mPer1-3 jest szeroko eksprymowany w tkankach poza mózgiem, w tym w wątrobie, mięśniach szkieletowych i jądrach. Aby określić funkcję mPER1–3, Reppert i współpracownicy zakłócili trzy kodujące je geny. Używając myszy z podwójnymi mutantami, wykazali, że mPER3 działa poza podstawowym mechanizmem zegara okołodobowego, podczas gdy zarówno mPER1, jak i mPER2 są niezbędne do rytmiki.
Negatywna pętla sprzężenia zwrotnego transkrypcji
Reppert i współpracownicy odkryli, że dwa mysie kryptochromy , mCRY1 i mCRY2, działają jako podstawowe represory transkrypcji ekspresji genu zegara, a białka mPER są niezbędne do translokacji jądrowej CRY. Ta praca dostarczyła pierwszego obrazu negatywnej pętli sprzężenia zwrotnego transkrypcji jako głównego mechanizmu napędzającego zegar molekularny myszy.
Blokujące transkrypcyjne pętle sprzężenia zwrotnego
Reppert i współpracownicy odkryli, że podstawowe mechanizmy SCN u ssaków polegają na interakcji dodatnich i ujemnych transkrypcyjnych pętli sprzężenia zwrotnego. Pierwsza pętla jest autoregulacyjną pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego transkrypcji, w której białka mCRY ujemnie regulują transkrypcję genów mCry i mPer . Druga blokująca pętla sprzężenia zwrotnego obejmuje rytmiczną regulację Bmal1 . Rytmiczność Bmal1 nie jest konieczna do działania mechanizmu zegarowego, ale pomaga modulować solidność rytmiki.
ZEGAR i NPAS2
Reppert i współpracownicy odkryli, że czynniki transkrypcyjne CLOCK i NPAS2 mają nakładające się role w SCN, ujawniając nową i nieoczekiwaną rolę NPAS2. Jego laboratorium zaobserwowało, że myszy z niedoborem ZEGARA nadal mają rytmy behawioralne i molekularne, co pokazało, że ZEGAR nie jest niezbędny dla rytmu okołodobowego w aktywności lokomotorycznej u myszy. Następnie ustalili, badając myszy z niedoborem CLOCK, że NPAS2 jest paralogiem CLOCK i może funkcjonalnie zastąpić CLOCK poprzez dimeryzację z BMAL1. W końcu odkryli — badając myszy z niedoborem ZEGARA, NPAS2 i podwójnie zmutowanymi — że rytmy okołodobowe w oscylatorach obwodowych wymagają ZEGARA. Zatem istnieje zasadnicza różnica między CLOCK a NPAS2, która jest zależna od tkanki.
Ssacze receptory melatoniny
W 1994 Reppert sklonował ludzki i owczy receptor melatoniny Mel 1a , pierwszy z rodziny GPCR , które wiążą hormon szyszynki melatoninę , i zlokalizował jego ekspresję w mózgu ssaków w SCN i pars tuberalis przysadki . Uważa się, że Mel 1a jest odpowiedzialny za okołodobowe działanie melatoniny i działania reprodukcyjne u sezonowych ssaków hodowlanych.
W 1995 Reppert sklonował i scharakteryzował receptor melatoniny Mel 1b . On i współpracownicy odkryli, że receptor był głównie wyrażany w siatkówce , gdzie uważa się, że modyfikuje zależne od światła funkcje siatkówki. Zidentyfikowali niekrewne populacje chomików syberyjskich , które nie miały funkcjonalnego Mel 1b , ale utrzymywały okołodobowe i reprodukcyjne reakcje na melatoninę; dane te wskazują, że Mel 1b nie jest niezbędny do okołodobowego i reprodukcyjnego działania melatoniny, które zamiast tego zależy od Mel 1a .
Wyjaśnienie molekularnej natury receptorów melatoniny ułatwiło zdefiniowanie ich właściwości wiązania ligandów i pomogło w opracowaniu analogów melatoniny, które są obecnie stosowane w leczeniu zaburzeń snu i depresji.
Kryptochromy owadów
W 2003 Reppert zaczął badać funkcjonalne i ewolucyjne właściwości białka CRY u motyla monarchy. Zidentyfikował dwa Cry u monarchy, Cry1 i Cry2 . Jego praca wykazała, że białko monarchy CRY1 jest funkcjonalnie analogiczne do Drosophila CRY, fotoreceptora światła niebieskiego niezbędnego do fotouniesienia u muchy. Wykazał również, że monarcha CRY2 jest funkcjonalnie analogiczna do CRY kręgowców i że monarcha CRY2 działa jako silny represor transkrypcji w transkrypcji zegara okołodobowego w pętli sprzężenia zwrotnego translacji motyla, co jego grupa wcześniej wykazała dla dwóch myszy CRY. Dane te sugerują istnienie nowego zegara okołodobowego , unikalnego dla niektórych owadów innych niż muszki owocowe, który posiada mechanizmy charakterystyczne zarówno dla Drosophila , jak i zegarów ssaków. Inne owady, takie jak pszczoły i mrówki, mają tylko CRY podobny do kręgowców, a ich zegary okołodobowe są jeszcze bardziej podobne do kręgowców. Drosophila jest jedynym znanym owadem, który nie posiada CRY podobnego do kręgowców.
W 2008 Reppert odkrył konieczność Cry dla zależnych od światła odpowiedzi magnetorecepcji u Drosophila . Pokazał również , że magnetorecepcja wymaga światła UVA/niebieskiego, którego widmo odpowiada spektrum działania Drosophila PŁAKAĆ. Dane te były pierwszymi, które genetycznie powiązały CRY jako składnik szlaku wejściowego lub chemicznego szlaku magnetorecepcji. Stosując te odkrycia do swojej pracy z monarchą, Reppert wykazał, że zarówno białka monarchy CRY1, jak i CRY2, gdy są transgenicznie wyrażane w muszkach z niedoborem CRY, z powodzeniem przywracają funkcję magnetorecepcji. Wyniki te sugerują obecność systemu wrażliwości magnetycznej za pośrednictwem CRY u monarchów, który może działać zgodnie z kompasem słonecznym, aby wspomóc nawigację. W 2011 roku Reppert odkrył również, że ludzki CRY2 może zastąpić funkcjonalny magnetoreceptor u much z niedoborem CRY, odkrycie, które uzasadnia dodatkowe badania nad wrażliwością magnetyczną u ludzi.
Migracja motyla monarchy
Od 2002 roku Reppert i współpracownicy są pionierami w badaniach biologicznych podstaw migracji motyli monarchy . Każdej jesieni miliony monarchów ze wschodnich Stanów Zjednoczonych i południowo-wschodniej Kanady migrują aż 4000 km, aby zimować w kryjówkach w środkowym Meksyku. Migracja monarchy nie jest wyuczoną czynnością, biorąc pod uwagę, że migranci lecący na południe są co najmniej o dwa pokolenia usunięci od migrantów z poprzedniego roku. Zatem migrujący monarchowie muszą mieć jakiś genetyczny mechanizm nawigacyjny.
Reppert i współpracownicy skupili się na nowatorskim mechanizmie zegara okołodobowego i jego roli w orientacji kompasu słonecznego z kompensacją czasową, głównej strategii nawigacyjnej wykorzystywanej przez motyle podczas jesiennej migracji. Korzystając z eksperymentów z przesunięciem zegara, wykazali, że zegar dobowy musi współdziałać z kompasem słonecznym, aby umożliwić migrantom utrzymanie kierunku lotu na południe, gdy słońce porusza się codziennie po niebie. Reppert współpracował z Eli Shlizermanem z University of Washington i Danielem Forgerem z University of Michigan, aby zaproponować działający model matematyczny kompasu słonecznego z kompensacją czasową.
Mechanizm zegarowy
Model zegara monarchy, który ma zarówno aspekty podobne do Drosophila , jak i ssaków, jest wyjątkowy, ponieważ wykorzystuje dwa różne białka CRY. Jak przedstawiono w artykule przeglądowym z 2010 r., mechanizm zegara na poziomie genów/białek działa w następujący sposób:
- W autoregulacji transkrypcyjnej pętli sprzężenia zwrotnego heterodimery CLOCK (CLK) i CYCLE (CYC) tworzą i kierują transkrypcją genów Per , Tim i Cry2 .
- Białka TIM, PER i CRY2 ulegają translacji i tworzą kompleksy w cytoplazmie.
- 24 godziny później CRY2 powraca do jądra i hamuje transkrypcję CLK:CYC.
- Tymczasem PER jest stopniowo fosforylowany, co może pomóc w translokacji CRY2 do jądra.
- Białko CRY1 jest fotoreceptorem okołodobowym, który po wystawieniu na działanie światła powoduje degradację TIM, umożliwiając światłu dostęp do centralnego mechanizmu zegara w celu porywania foticznego.
Zegary antenowe
Laboratorium Repperta rozszerzyło postulację Freda Urquharta , że czułki odgrywają rolę w migracji monarchów. W 2009 roku laboratorium Repperta poinformowało, że pomimo wcześniejszych założeń, że zegary kompensacji czasu znajdują się wyłącznie w mózgu, istnieją również zegary zlokalizowane w antenach, które „są niezbędne do prawidłowej orientacji kompasu słonecznego z kompensacją czasu u wędrownych motyli monarchów”. Doszli do wniosku, porównując orientację kompasu słonecznego migrantów monarchów z nienaruszonymi czułkami i tych, którym usunięto czułki. Laboratorium Repperta badało również anteny in vitro i odkryło, że zegary antenowe mogą być bezpośrednio porywane przez światło i mogą działać niezależnie od mózgu. potrzebne są jednak badania nad interakcją między zegarami okołodobowymi w czułkach motyla monarchy a kompasem słonecznym w mózgu.
W 2012 roku Reppert i współpracownicy ustalili, że tylko jedna antena wystarczy do orientacji kompasu słonecznego. Zrobili to, malując jedną antenę na czarno, aby spowodować niezgodną ekspozycję światła między dwiema antenami; pojedyncza niepomalowana antena wystarczyła do orientacji. Wszystkie cztery geny zegarowe ( per , tim , cry1 i cry2 ) zostały wyrażone w różnych badanych obszarach anteny, co sugeruje, że „porywane światłem zegary okołodobowe są rozmieszczone na całej długości anteny motyla monarchy”.
W 2013 roku Reppert i współpracownicy wykazali, że wiosenni remigranci również używają zależnego od anteny kompasu słonecznego z kompensacją czasową, aby kierować lotem na północ z Meksyku do południowych Stanów Zjednoczonych.
Kompas słoneczny
Korzystając z badań anatomicznych i elektrofizjologicznych mózgu motyla monarchy, Reppert i współpracownicy wskazali, że kompleks centralny, struktura linii środkowej w centralnym mózgu, jest prawdopodobnie miejscem kompasu słonecznego.
Kompas magnetyczny
Reppert i współpracownicy wykazali, że migrujący monarchowie mogą używać kompasu magnetycznego zależnego od światła, opartego na nachyleniu, do nawigacji w pochmurne dni.
Temperatura
Reppert i współpracownicy wykazali, że migranci jesienni, przedwcześnie narażeni na chłód podobny do zimowania, odwracają swoją orientację lotu na północ. Mikrośrodowisko temperaturowe w miejscu zimowania jest niezbędne do pomyślnego zakończenia cyklu migracji: bez narażenia na zimno starsi migranci nadal kierują się na południe. Odkrycie, że zimno wyzwala kierunek lotu na północ u wiosennych remigrantów, podkreśla, jak podatna może być migracja na zmiany klimatyczne.
Genom motyla monarchy
W 2011 roku Reppert i współpracownicy przedstawili wstępną sekwencję genomu motyla monarchy oraz zestaw 16 866 genów kodujących białka. Jest to pierwszy scharakteryzowany genom motyla i gatunku wędrownego na duże odległości.
W 2012 roku Reppert i jego współpracownicy stworzyli MonarchBase , zintegrowaną bazę danych genomu Danaus plexippus . Celem projektu było udostępnienie zbiorowiskom biologicznym i lepidoptera informacji genomicznych i proteomicznych na temat motyli monarchy.
W 2013 roku Reppert i współpracownicy opracowali nowatorskie podejście ukierunkowane na geny u monarchów, które wykorzystuje strategię nukleazy palca cynkowego do określenia zasadniczej natury CRY2 dla funkcji zegara u motyli. Ukierunkowana mutageneza Cry2 rzeczywiście spowodowała in vivo zaburzenie zachowania okołodobowego i mechanizmu zegara molekularnego. Strategie nukleazowe są potężnymi narzędziami do celowania w dodatkowe geny zegarowe u monarchów i zmiany funkcji genów.
W 2016 roku Reppert współpracował z Marcusem Kronforstem z University of Chicago i innymi osobami, aby wykorzystać badania genetyczne populacji do zdefiniowania ewolucyjnej historii migracji monarchów.
Nagrody i wyróżnienia
- Stypendium badawcze Charles King Trust, 1981–1984
- Basil O'Connor Starter Scholar Research Award, March of Dimes Fund, 1981–1983
- Ustanowiona Nagroda Badacza Amerykańskiego Towarzystwa Kardiologicznego w latach 1985–1990
- Członek Amerykańskiego Towarzystwa Badań Klinicznych, wybrany w 1987 r
- Nagroda E. Meada Johnsona za wybitne badania, 1989
- Nagroda NIH-NICHD MERIT Award, 1992–2002
- Honorowy tytuł magistra, Uniwersytet Harvarda , 1993
- Higgins Family Professor of Neuroscience, University of Massachusetts Medical School, 2001–2017
- Prezes, Towarzystwo Badań nad Rytmami Biologicznymi, 2004
- Członek American Association for the Advancement of Science, wybrany w 2011 r
- Gregor J. Mendel Honorowy Medal za Zasługi w Naukach Biologicznych Akademii Nauk Republiki Czeskiej, 2012
- Doktor honoris causa, Uniwersytet Czech Południowych, Czechy, 2013
- Medal Kanclerza za wybitne stypendium, University of Massachusetts Medical School, 2016
Linki zewnętrzne
- Witryna firmy Reppert Lab
- Strona wydziału UMass Medical School
- Wyniki wyszukiwania dla autora Repperta SM w PubMed .
- Stevena M. Repperta indeksowane przez Google Scholar
- MonarchBase
- Seminarium Stevena Repperta: Neurobiologia migracji motyli monarchy
| Międzynarodowy | |
|---|---|
| Krajowy | |
| Akademicy | |
