Kan miljögifter störa dygnsrytmen - den biologiska "klockan" vars störning är kopplad till kronisk inflammation och en mängd mänskliga störningar? Forskning som visar ett samband mellan dygnsstörningar och plankton som har anpassat sig till vägsaltföroreningar ställer frågan rakt på bordet.

"Denna forskning visar att exponering för miljögifter kan hämma funktionen hos vår dygnsklocka, vars störning är kopplad till ökad cancerfrekvens, diabetes, fetma, hjärtsjukdom, och depression, sa Jennifer Hurley, en biträdande professor i biologiska vetenskaper, medlem av Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies (CBIS) vid Rensselaer Polytechnic Institute, och senior författare om denna forskning. "Det här är första gången någon har visat att detta händer på nivån med kärnklockan, som vi hade ansett vara kraftigt buffrade mot dessa typer av miljöeffekter."

Forskningen bygger på nya rön från Jefferson-projektet vid Lake George, visar att en vanlig djurplanktonart, Daphnia pulex, kan utveckla toleransen till måttliga nivåer av vägsalt på så lite som två och en halv månad. Den forskningen producerade fem populationer av Daphnia anpassade till saltkoncentrationer från den nuvarande koncentrationen på 15 milligram per liter klorid i Lake George, till koncentrationer av 1, 000 milligram per liter som finns i starkt förorenade sjöar i Nordamerika.

"Plankton, som är nyckelkonsumenter av alger och en matkälla för många fiskar, kan göra en monumental avvägning för att tolerera ökat vägsalt, sa Rick Relyea, Jefferson projektledare, CBIS medlem, och medförfattare till studien. "Dygnsrytmen leder dessa djur genom en daglig migration, till djupa vatten under dagen för att gömma sig från rovdjur och grunt vatten på natten för att mata. Att störa den rytmen kan påverka hela sjöns ekosystem."

Hurley sa att anpassning till salt sannolikt påverkar Daphnia på epigenetisk nivå, en ärftlig förändring i gennivåer snarare än genetisk kod. Forskningen har bred tillämpbarhet inom flera områden bortom människors hälsa och är en demonstration av banbrytande, tvärvetenskaplig forskning som är resultatet av korssamarbete mellan CBIS och Jefferson Project.

För att undersöka om salt påverkar dygnsrytmen för Daphnia, Forskare fastställde först att planktonet styrs av en kärnuppsättning klockkontrollgener som förutser dag/natt-cykeln. Klockkontrollgener främjar och undertrycker gentranskription, skapa dagliga svängningar i nivåerna av enzymer och hormoner för att påverka cellfunktionen, division, och tillväxt, samt fysiologiska parametrar som kroppstemperatur och immunsvar. Daphnia-genomet inkluderar PERIOD (PER) genen, en uppsättning gener nästan identiska med den väletablerade kärnklockan hos fruktflugan ( Drosophila melanogaster ).

Kayla Coldsnow, en Rensselaer doktorand och den första författaren till studien, spårade uttrycket av mRNA från PER i Daphnia exponerad för naturligt låga saltnivåer och konstanta mörkerförhållanden. Trots dessa konstanta miljöförhållanden, Daphnia PER mRNA-nivåer svängde med en 24-timmarsrytm, en tydlig indikation på en fungerande dygnsklocka. Hennes resultat, i kombination med befintlig forskning, visar att PER "klockgener" är aktiva i Daphnia.

För att testa om anpassning till miljöer med hög salthalt påverkar denna funktionella dygnsklocka, Coldsnow utförde sedan ett liknande experiment med de fem populationer av Daphnia som producerades under hennes tidigare forskning. Hennes data visade att PER mRNA-rytmerna försämrades med anpassningen till ökande saltkoncentrationer.

"Vad vi ser är en graderad, uppmätt svar i denna organism; ju högre saltnivå som Daphnia är anpassad till, ju mer det undertrycker uttrycket av sin dygnsklocka, ", sa Hurley. "Befolkningen anpassad till naturligt låga saltnivåer uppvisar en vacker, frisk oscillation i PER mRNA-uttryck, men populationen anpassad till höga saltnivåer har helt förlorat sin förmåga att oscillera detta mRNA-uttryck."

Hurley sa att fynden öppnar en ny dörr inom dygnsforskning.

"Konsekvenserna är betydande, Hurley sa. "Du har exponerat Daphnia för ett miljögift, och dess klocka var undertryckt, förmodligen genom epigenetiska mekanismer. Daphnias klocka och biologi är väldigt lik klockan och biologin både i våra hjärnor och de flesta organismer. Är det möjligt att vi kan se epigenetiska förändringar i den mänskliga hjärnan på grund av exponering för miljögifter?