Kunnen milieutoxines het circadiaanse ritme verstoren - de biologische "klok" waarvan de verstoring verband houdt met chronische ontstekingen en tal van menselijke aandoeningen? Onderzoek dat een verband aantoont tussen circadiane verstoring en plankton dat is aangepast aan strooizoutvervuiling, legt de vraag vierkant op tafel.

"Dit onderzoek toont aan dat blootstelling aan milieutoxines de functie van onze circadiane klok kan onderdrukken, waarvan de verstoring verband houdt met een verhoogde kans op kanker, suikerziekte, zwaarlijvigheid, hartziekte, en depressie, " zei Jennifer Hurley, een assistent-professor biologische wetenschappen, lid van het Centrum voor Biotechnologie en Interdisciplinaire Studies (CBIS) aan het Rensselaer Polytechnisch Instituut, en senior auteur van dit onderzoek. "Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond dat dit gebeurt op het niveau van de kernklok, die we hadden beschouwd als zwaar gebufferd tegen dit soort milieueffecten."

Het onderzoek bouwt voort op recente bevindingen van het Jefferson Project bij Lake George, waaruit blijkt dat een veel voorkomende soort zoöplankton, Daphnia-pulex, kan in slechts twee en een halve maand tolerantie ontwikkelen voor matige niveaus van strooizout. Dat onderzoek leverde vijf populaties Daphnia op die waren aangepast aan zoutconcentraties variërend van de huidige concentratie van 15 milligram per liter chloride in Lake George, tot concentraties van 1, 000 milligram per liter zoals gevonden in sterk vervuilde meren in Noord-Amerika.

"Plankton, die belangrijke consumenten zijn van algen en een voedselbron voor veel vissen, kan een monumentale afweging maken om meer strooizout te tolereren, " zei Rick Relyea, Jefferson Projectdirecteur, CBIS-lid, en co-auteur van de studie. "Het circadiane ritme leidt deze dieren door een dagelijkse migratie, naar diepe wateren overdag om zich te verbergen voor roofdieren en 's nachts naar ondiepe wateren om te eten. Het verstoren van dat ritme kan het hele ecosysteem van het meer beïnvloeden."

Hurley zei dat aanpassing aan zout Daphnia waarschijnlijk op epigenetisch niveau beïnvloedt, een erfelijke verandering in genniveaus in plaats van genetische code. Het onderzoek is breed toepasbaar op meerdere gebieden buiten de menselijke gezondheid en is een demonstratie van geavanceerde, interdisciplinair onderzoek als gevolg van samenwerking tussen CBIS en het Jefferson Project.

Om te onderzoeken of zout het circadiane ritme van Daphnia beïnvloedt, onderzoekers stelden voor het eerst vast dat het plankton wordt bestuurd door een kernset van klokcontrolegenen die anticipeert op de dag / nacht-cyclus. Klokcontrolegenen bevorderen en onderdrukken gentranscriptie, het creëren van dagelijkse schommelingen in de niveaus van enzymen en hormonen om de celfunctie te beïnvloeden, afdeling, en groei, evenals fysiologische parameters zoals lichaamstemperatuur en immuunresponsen. Het Daphnia-genoom omvat het PERIOD (PER)-gen, een reeks genen die bijna identiek zijn aan de gevestigde kernklok van de fruitvlieg ( Drosophila melanogaster ).

Kayla Coldsnow, een Rensselaer-promovendus en de eerste auteur van het onderzoek, volgde de expressie van het mRNA van PER in Daphnia blootgesteld aan natuurlijk lage zoutniveaus en constante donkere omstandigheden. Ondanks deze constante omgevingsomstandigheden, Daphnia PER mRNA-niveaus oscilleerden met een 24-uurs ritme, een duidelijke indicatie van een functionele circadiane klok. Haar resultaten, in combinatie met bestaand onderzoek, laat zien dat PER "klokgenen" actief zijn in Daphnia.

Om te testen of aanpassing aan zoutrijke omgevingen deze functionele circadiane klok beïnvloedt, Coldsnow voerde vervolgens een soortgelijk experiment uit met de vijf populaties Daphnia die tijdens haar eerdere onderzoek waren geproduceerd. Haar gegevens toonden aan dat PER-mRNA-ritmes verslechterden met de aanpassing aan toenemende zoutconcentraties.

"Wat we zien is een gegradueerde, gemeten respons in dit organisme; hoe hoger het zoutgehalte waaraan de Daphnia is aangepast, hoe meer het de expressie van zijn circadiane klok onderdrukt, " zei Hurley. "De bevolking die is aangepast aan van nature lage zoutniveaus vertoont een prachtige, gezonde oscillatie in PER-mRNA-expressie, maar de populatie die is aangepast aan hoge zoutniveaus heeft hun vermogen om deze mRNA-expressie te oscilleren volledig verloren."

Hurley zei dat de bevindingen een nieuwe deur openen in circadiaans onderzoek.

"De gevolgen zijn aanzienlijk, "Zei Hurley. "Je hebt Daphnia blootgesteld aan een milieutoxine, en zijn klok werd onderdrukt, waarschijnlijk door epigenetische mechanismen. De klok en biologie van Daphnia lijkt erg op de klok en de biologie, zowel in onze hersenen als in de meeste organismen. Is het mogelijk dat we epigenetische veranderingen in het menselijk brein kunnen zien vanwege blootstelling aan milieutoxines?