The role of adenosine receptor in the regulation of circadian rhythmicity in Drosophila melanogaster

Rytmy okołodobowe, występujące u prawie wszystkich organizmów prokariotycznych i eukariotycznych na Ziemi, są generowane przez mechanizm endogennego zegara biologicznego, który reguluje ich procesy biochemiczne i fizjologiczne w czasie i synchronizuje je do zmieniających się warunków środowiskowych. Jakiekolwiek zaburzenia systemu okołodobowego, czy to genów zegara czy architektury sieci jego dróg wejściowych i wyjściowych, prowadzą do zwiększonych predyspozycji do niektórych chorób. Adenozyna jest endogennym nukleozydem purynowym zaangażowanym w regulację szerokiego spektrum kluczowych procesów fizjologicznych. U ssaków udało się zidentyfikować cztery podtypy receptora adenozyny (AR): A1, A2A, A2B i A3. Każdy z nich posiada unikalną strukturę pierwszorzędową, właściwości farmakologiczne oraz dystrybucję tkankową i jest częścią rodziny receptorów sprzężonych z białkami G (GPCRs). U muszki owocowej znaleziono jeden homolog receptora adenozyny kodowany przez gen CG9753, którego endogenne transkrypty wykryto w mózgu, dyskach imaginalnych, kompleksie w którego skład wchodzą ciała przyległe, gruczoły protorakalne i ciała sercowate, oraz w gruczołach ślinowych larwy III stadium D. melanogaster. U osobników dorosłych ekspresja tego genu w mózgu jest wyższa niż w reszcie ciała. Receptor adenozynowy D. melanogaster (DmAdoR) wykazuje największe podobieństwo do ludzkiego podtypu A2A receptora adenozyny (38,3%). Aktywuje on cyklazę adenylanową, a jego nadekspresja powoduje poważne nieprawidłowości rozwojowe, w tym występowanie guzów melaninowych na głowie czy pęcherzyków na skrzydłach. Ponadto receptor ten ma potencjał do wiązania się z podjednostkami Gαs i Gαq białek G i do kontroli ścieżek, w których pośredniczy zarówno cAMP jak i jony wapnia. W pracy wykorzystano zalety genetyki Drosophila oraz behawioralne i fizjologiczne podobieństwa występujące między muszkami owocowymi a przedstawicielami ssaków, aby wykazać udział receptora adenozynowego w regulacji rytmiki okołodobowej. Zbadano wpływ wyciszenia i nadekspresji genu DmAdoR w neuronach PER i PDF oraz w epitelialnych komórkach glejowych na aktywność lokomotoryczną, komponenty snu, długość życia i poziom podjednostki α pompy sodowo-potasowej w płytce lamina. Otrzymane wyniki dostarczyły interesującego wglądu w konserwatywne mechanizmy ścieżek sygnalizacji adenozyny. Udowodniono, iż receptor adenozynowy ma istotne znaczenie nie tylko dla prawidłowego funkcjonowania organizmu muszki owocowej, ale również dla regulacji rytmiki okołodobowej tego gatunku. Modyfikacje dotyczące liczby receptorów adenozyny powodują bowiem nie tylko skrócenie czasu życia badanych osobników, ale także zmiany zależne od poziomu ekspresji genu receptora adenozynowego w danym typie komórek, które wpływają na długość okresu aktywności lokomotorycznej, architekturę snu i rytmikę ekspresji podjednostki katalitycznej α pompy sodowo-potasowej.

Circadian rhythms occur in almost all prokaryotic and eukaryotic organisms on Earth and they are generated by an endogenous circadian clock, which regulates their biochemical and physiological processes in time and synchronises them with changing environmental conditions. Any disruptions of the circadian system, whether clock genes or clock network architecture, lead to an increased liability to certain diseases. Adenosine is an endogenous purine nucleoside involved in the regulation of wide spectrum of key physiological processes. Four subtypes of adenosine receptor (AR) were identified in mammals: A1, A2A, A2B and A3. Each of them has a unique primary structure, pharmacological profile and tissue distribution and is a member of the superfamily of G-protein coupled receptors (GPCRs). In the fruit fly Drosophila melanogaster one homolog of the adenosine receptor has been found that is encoded by the gene CG9753. Its endogenous transcripts were detected in the brain, imaginal discs, ring gland and salivary glands of the third-instar larva of D. melanogaster. In adults, the expression of CG9753 is higher in the head than in the rest of the body. In D. melanogaster adenosine receptor (DmAdoR) shares the highest identity with A2A human AR (38,3%). It is positively coupled to adenylate cyclase and the overexpression of DmAdoR causes severe developmental anomalies including melatonic tumors in the head capsule or blistered and folded wings. Moreover, this receptor may couple to the G-protein subunits Gαs and Gαq and control both cAMP and calcium-mediated pathways. Taking advantage of Drosophila genetics and behavioral and physiological similarities between the fruit fly and mammals the role of adenosine receptor in the regulation of circadian rhythmicity has been investigated in the present study. We examined the impact of silencing and overexpression of DmAdoR gene in PER or PDF neurons or epithelial glia on locomotor activity, sleep, life expectancy and the level of the α subunit of the Na+/K+-ATPase in lamina. Our results provide an interesting insight into the conservative mechanisms of adenosine signaling pathways. We proved that adenosine receptor is essential not only for normal functioning of the fruit fly organism but also for the regulation of its circadian rhythmicity. Modifications in the number of adenosine receptors reduce not only life span but also induce changes, which depend on the level of adenosine receptor gene expression in a specific cell type, and affect both the length of the circadian rhythm period of locomotor activity, sleep architecture and the level of the α subunit of the Na+/K+-ATPase.