Стивен М. Репперт (родился 4 сентября 1946 года) — американский нейробиолог, известный своим вкладом в области хронобиологии и нейроэтологии . Его исследования были сосредоточены в основном на физиологических, клеточных и молекулярных основах циркадных ритмов у млекопитающих, а в последнее время — на навигационных механизмах мигрирующих бабочек-монархов . Он был профессором нейробиологии семьи Хиггинс в Медицинской школе Массачусетского университета с 2001 по 2017 год, а с 2001 по 2013 год был основателем кафедры нейробиологии. Репперт ушел с поста председателя в 2014 году. В настоящее время он является заслуженным почетным профессором нейробиологии.
Стивен Репперт вырос в деревне Пендер, штат Небраска , и окончил среднюю школу Пендера в 1964 году. Его интерес к науке начался в детстве с моли цекропии — насекомого, прославившегося благодаря биологу из Гарварда Кэрроллу М. Уильямсу , который использовал моль в своей новаторской работе о роли ювенильного гормона в линьке и метаморфозе. [1] Репперт продолжает выращивать цекропию от яйца до взрослой особи каждое лето.
Репперт получил степень бакалавра и доктора медицины в 1973 году (с отличием) в Медицинском колледже Университета Небраски и был избран студентом-медиком в Медицинское общество Alpha Omega Alpha Honor . С 1973 по 1976 год он проходил стажировку и ординатуру по педиатрии в Массачусетской больнице общего профиля . С 1976 по 1979 год Репперт был постдокторантом по нейроэндокринологии в Национальном институте детского здоровья и развития человека в Бетесде, штат Мэриленд, в лаборатории Дэвида К. Кляйна, которая фокусируется на эпифизе и циркадной биологии. [2] Репперт был преподавателем в Массачусетской больнице общего профиля и Гарвардской медицинской школе с 1979 года и был повышен до профессора в 1993 году; он руководил Лабораторией хронобиологии развития в Массачусетской больнице общего профиля с 1983 по 2001 год, после чего перешел в Медицинскую школу Массачусетского университета. [3]
Репперт опубликовал более 180 статей. Он является главным изобретателем семи патентов, полученных в результате его исследований. [4]
Исследования на грызунах показали, что главные мозговые часы в супрахиазматическом ядре (SCN) функционируют у плода до того, как мозг плода способен регистрировать присутствие света. Репперт и коллеги сообщили, что SCN плода вовлекается в цикл свет-темнота до того, как ретиногипоталамический путь иннервирует SCN из глаза. [5] Это открытие указывает на то, что мать и ее вовлечение в окружающие циклы свет-темнота предоставляют плоду необходимую информацию для синхронизации. Как утверждает Репперт, «Мама функционирует как преобразователь для циркадной системы плода. Она принимает световую информацию в свою циркадную систему, а затем она передается в циркадную систему плода». [6] Эта фетальная вовлечение сохраняется в постнатальный период и гарантирует, что поведенческие модели новорожденного правильно настроены на окружающую среду. Дофамин и мелатонин могут действовать как перинатальные сигналы материнской вовлечения. [7]
Стивен Репперт и его коллеги внесли основополагающий вклад, который проливает свет на механизм работы циркадных часов млекопитающих.
Репперт и коллеги обнаружили, что SCN содержит большую популяцию автономных одноклеточных циркадных осцилляторов. [8] Они культивировали клетки из SCN новорожденных крыс на фиксированной микроэлектродной матрице , что позволило им контролировать активность отдельных нейронов SCN в культуре. Циркадные ритмы, выраженные нейронами в одной и той же культуре, не были синхронизированы, что указывает на то, что они функционировали независимо друг от друга.
Репперт и его коллеги также открыли гены часов у мышей mPer2 и mPer3 и определили их функции. Они обнаружили, что белки mPER2 и mPER3 , а также ранее обнаруженный mPER1 , имеют несколько областей гомологии друг с другом и с PER дрозофилы. [9] [10] Репперт и его коллеги обнаружили различные световые реакции среди трех генов Per . [10] В отличие от уровней мРНК mPer1 и mPer2 , уровни мРНК mPer3 не изменяются остро под воздействием света в течение субъективной ночи. Они также обнаружили, что mPer1–3 широко экспрессируются в тканях за пределами мозга, включая печень, скелетные мышцы и яички. Чтобы определить функцию mPER1–3, Репперт и его коллеги нарушили три гена, кодирующих их. [11] Используя мышей с двойной мутацией, они показали, что mPER3 функционирует вне основного циркадного часового механизма, тогда как и mPER1, и mPER2 необходимы для ритмичности.
Репперт и коллеги обнаружили, что два мышиных криптохрома , mCRY1 и mCRY2, функционируют как основные транскрипционные репрессоры экспрессии генов часов, а белки mPER необходимы для ядерной транслокации CRY. [12] Эта работа впервые продемонстрировала отрицательную транскрипционную обратную связь как основной механизм, приводящий в движение молекулярные часы мыши. [13]
Репперт и коллеги обнаружили, что основные механизмы SCN у млекопитающих состоят из взаимодействующих положительных и отрицательных транскрипционных обратных связей. [14] Первая петля — это ауторегуляторная отрицательная транскрипционная обратная связь, в которой белки mCRY отрицательно регулируют транскрипцию генов mCry и mPer . Вторая взаимосвязанная обратная связь включает ритмическую регуляцию Bmal1 . Ритмичность Bmal1 не является необходимой для часовой функции, но она помогает модулировать надежность ритмичности.
Репперт и его коллеги обнаружили, что факторы транскрипции CLOCK и NPAS2 имеют перекрывающиеся роли в SCN, что открывает новую и неожиданную роль NPAS2. [15] Его лаборатория наблюдала, что мыши с дефицитом CLOCK продолжают иметь поведенческие и молекулярные ритмы, что показало, что CLOCK не является необходимым для циркадного ритма в локомоторной активности у мышей. Затем они определили, исследуя мышей с дефицитом CLOCK, что NPAS2 является паралогом CLOCK и может функционально заменять CLOCK путем димеризации с BMAL1. Наконец, они обнаружили — исследуя мышей с дефицитом CLOCK, NPAS2 и мышей с двойной мутацией — что циркадные ритмы в периферических осцилляторах требуют CLOCK. [15] Таким образом, существует фундаментальное различие между CLOCK и NPAS2, которое зависит от ткани.
В 1994 году Репперт клонировал мелатониновый рецептор Mel 1a человека и овцы , первый в семействе GPCR , связывающих гормон эпифиза мелатонин , и локализовал его экспрессию в мозге млекопитающих в SCN и гипофизарной части тубералиса . [16] Считается, что Mel 1a отвечает за циркадные эффекты мелатонина и репродуктивную функцию у сезонно размножающихся млекопитающих. [16]
В 1995 году Репперт клонировал и охарактеризовал рецептор мелатонина Mel 1b . Он и его коллеги обнаружили, что рецептор преимущественно экспрессируется в сетчатке , где, как полагают, он изменяет светозависимые функции сетчатки. [17] Они идентифицировали популяции сибирских хомяков , у которых отсутствовал функциональный Mel 1b , но сохранялись циркадные и репродуктивные реакции на мелатонин; [18] эти данные указывают на то, что Mel 1b не является необходимым для циркадных и репродуктивных действий мелатонина, которые вместо этого зависят от Mel 1a .
Выяснение молекулярной природы рецепторов мелатонина облегчило определение их лигандсвязывающих характеристик и помогло в разработке аналогов мелатонина, которые в настоящее время используются для лечения расстройств сна и депрессии. [16]
В 2003 году Репперт начал исследовать функциональные и эволюционные свойства белка CRY у бабочки-монарха. Он идентифицировал два гена Cry у монарха, Cry1 и Cry2 . [19] Его работа продемонстрировала, что белок монарха CRY1 функционально аналогичен CRY дрозофилы , фоторецептору синего света, необходимому для фотоувлечения у мухи. Он также продемонстрировал, что CRY2 монарха функционально аналогичен CRY позвоночных и что CRY2 монарха действует как мощный транскрипционный репрессор в петле обратной связи транскрипционной трансляции циркадных часов бабочки, как его группа ранее показала для двух CRY мышей. [12] Эти данные предполагают существование новых циркадных часов, уникальных для некоторых недрозофилидных насекомых, которые обладают механизмами, характерными как для часов дрозофилы , так и для часов млекопитающих. [20] Другие насекомые, такие как пчелы и муравьи, обладают только CRY, подобным позвоночным, и их циркадные часы еще больше похожи на позвоночные. [21] Дрозофила — единственное известное насекомое, не обладающее CRY, свойственным позвоночным.
В 2008 году Репперт и его коллеги обнаружили необходимость CRY для светозависимых магниторецептивных реакций у дрозофилы . Они также показали, что магниторецепция требует УФ-А/синего света, спектр которого соответствует спектру действия CRY у дрозофилы . [22] Эти данные были первыми, которые генетически вовлекли CRY в качестве компонента входного пути или химического пути магниторецепции. Применяя эти результаты к своей работе с монархом, группа Репперта показала, что оба белка CRY1 и CRY2 монарха, когда они экспрессируются в виде трансгена у мух с дефицитом CRY, успешно восстанавливают функцию светозависимой магниточувствительности. Эти результаты предполагают наличие у монархов системы магниточувствительности, опосредованной CRY, которая может действовать в соответствии с солнечным компасом, помогая навигации. В 2011 году лаборатория Репперта также обнаружила, что человеческий CRY2 может замещать функциональный магниторецептор у мух с дефицитом CRY, открытие, которое требует дополнительных исследований магниточувствительности у людей. [23] [24] Однако интерпретацию приведенной выше работы по магниточувствительности, зависящей от CRY, следует рассматривать в контексте статьи Бассетто и др. 2023 года, в которой предполагается, что нет никаких доказательств влияния магнитного поля на поведение дрозофилы . [25] Более того, авторы не смогли воспроизвести магниточувствительность у дрозофилы с помощью бинарного аппарата T-образного лабиринта, разработанного в лаборатории Репперта. [22] Репперт защищает работу своей лаборатории, показывающую магниточувствительность плодовой мушки, и ставит под сомнение выводы, представленные в работе Бассетто и др. 2023 года. [26] Необходимы дальнейшие исследования, чтобы опровергнуть или подтвердить предполагаемое отсутствие магниторецепции у дрозофилы .
С 2002 года Репперт и его коллеги стали пионерами в изучении биологической основы миграции бабочек-монархов . [27] [28] Каждую осень миллионы монархов с востока США и юго-востока Канады мигрируют на расстояние до 4000 км, чтобы перезимовать в гнездах в Центральной Мексике. [29] Миграция монархов не является усвоенной деятельностью, учитывая, что мигранты, летящие на юг, отделены по крайней мере двумя поколениями от мигрантов предыдущего года. [30] Таким образом, мигрирующие монархи должны иметь некий генетически обусловленный навигационный механизм.
Репперт и его коллеги сосредоточились на новом механизме циркадных часов и его роли в компенсированной по времени ориентации солнечного компаса, основной навигационной стратегии, которую бабочки используют во время своей осенней миграции. [29] Используя эксперименты со сдвигом часов, они показали, что циркадные часы должны взаимодействовать с солнечным компасом, чтобы позволить мигрантам поддерживать южное направление полета, поскольку солнце ежедневно движется по небу. [31] Репперт сотрудничал с Эли Шлизерманом из Вашингтонского университета и Дэниелом Форджером из Мичиганского университета, чтобы предложить рабочую математическую модель компенсированного по времени солнечного компаса. [32]
Модель часового механизма монарха, которая имеет как аспекты, подобные Drosophila , так и аспекты, подобные млекопитающим, уникальна, поскольку она использует два различных белка CRY. Как представлено в обзорной статье [28], часовой механизм на уровне гена/белка работает следующим образом:
Лаборатория Репперта расширила постулат Фреда Уркухарта о том, что антенны играют роль в миграции монархов. В 2009 году Репперт и его коллеги Кристин Мерлин и Роберт Гегеар сообщили, что, несмотря на предыдущие предположения о том, что часы компенсации времени расположены исключительно в мозге, в антеннах также есть часы, которые «необходимы для правильной ориентации по компасу солнца с компенсацией времени у мигрирующих бабочек-монархов». [33] Они пришли к такому выводу, сравнив ориентацию по компасу солнца у мигрирующих особей-монархов с неповрежденными антеннами и у тех, у кого антенны были удалены. [33] Лаборатория Репперта также изучала антенны in vitro и обнаружила, что антенные часы могут напрямую управляться светом и могут функционировать независимо от мозга. [33] Однако необходимы дальнейшие исследования взаимодействия между циркадными часами в антеннах бабочки-монарха и солнечным компасом в мозге.
В 2012 году Репперт и коллеги определили, что для ориентации по компасу солнца достаточно только одной антенны. Они сделали это, покрасив одну антенну в черный цвет, чтобы вызвать несогласованное воздействие света между двумя антеннами; одна неокрашенная антенна была достаточна для ориентации. Все четыре гена часов ( per , tim , cry1 и cry2 ) были выражены в различных изученных областях антенны, что предполагает, что «световые циркадные часы распределены по всей длине антенны бабочки-монарха». [34]
В 2013 году Репперт и Патрик Герра показали, что весенние ремигранты также используют антенно-зависимый солнечный компас с временной компенсацией, чтобы направлять свой перелет на север из Мексики на юг Соединенных Штатов. [35]
Используя анатомические и электрофизиологические исследования мозга бабочки-монарха, Стэнли Хайнце, работавший в лаборатории Репперта, предоставил доказательства того, что центральный комплекс, срединная структура в центральном мозге, вероятно, является местом расположения солнечного компаса. [36]
Репперт и его коллеги Патрик Герра и Роберт Гегеар показали, что мигрирующие монархи могут использовать светозависимый магнитный компас, основанный на наклоне, для навигации в пасмурные дни. [37] Генетические исследования из лаборатории Кристины Мерлин показывают, что фоторецепторный белок CRY1 необходим для светочувствительного магнитного компаса монарха. [38] Успешное использование обратной генетики у монархов будет означать, что бабочка является отличным выбором для помощи в определении молекулярного механизма, лежащего в основе светозависимого магниточувствительного восприятия в контексте навигации по компасу.
Репперт и Патрик Герра показали, что осенние мигранты, преждевременно подвергшиеся воздействию холода, похожего на зимовку, меняют ориентацию полета на север. Температурная микросреда в месте зимовки имеет важное значение для успешного завершения цикла миграции: без воздействия холода старые мигранты продолжают ориентироваться на юг. Открытие того, что холод вызывает направление полета на север у весенних ремигрантов, подчеркивает, насколько уязвимой может быть миграция к изменению климата. [39] [40]
В 2011 году Репперт и коллеги представили проект последовательности генома бабочки-монарха и набор из 16 866 генов, кодирующих белки. Это первый охарактеризованный геном бабочки и вида, мигрирующего на большие расстояния. [41] [42] [43]
В 2012 году Репперт и его коллеги создали MonarchBase, интегрированную базу данных для генома Danaus plexippus . Целью проекта было сделать геномную и протеомную информацию о бабочках-монархах доступной для биологических и чешуекрылых сообществ. [44]
В 2013 году Кристин Мерлин и Скот Вулф разработали в лаборатории Репперта новый подход к нацеливанию генов у монархов, который использует стратегию нуклеазы цинкового пальца для определения сущностной природы CRY2 для часовой функции у чешуекрылых. [45] Целевой мутагенез Cry2 действительно привел к нарушению циркадного поведения и молекулярного часового механизма in vivo. Дальнейшая работа в лаборатории Мерлин показала, что стратегии нуклеазы являются мощными инструментами для нацеливания дополнительных часовых генов у монархов и изменения функции генов. [46]
В 2016 году Репперт сотрудничал с Маркусом Кронфорстом из Чикагского университета и другими, чтобы использовать популяционные генетические исследования для определения эволюционной истории миграции монархов. [47]