Author(s):
Kyriacou CP*, Rosato E.
* Department of Genetics and Genome Biology, University of Leicester, Leicester.
United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland
Published in:
Front Physiol 2022; 13: 928416
Published: 10.08.2022
on EMF:data since 08.12.2022
Further publications: Studie gefördert durch:

Electromagnetic Field Biological Research Trust from 2012 to 2019. BBSRC award BB/V006304/1.

Keywords for this study:
Effects on animals
Reviews
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Genetic analysis of cryptochrome in insect magnetosensitivity.

Original Abstract

The earth’s magnetic field plays an important role in the spectacular migrations and navigational abilities of many higher animals, particularly birds. However, these organisms are not amenable to genetic analysis, unlike the model fruitfly, Drosophila melanogaster, which can respond to magnetic fields under laboratory conditions. We therefore review the field of insect
magnetosensitivity focusing on the role of the Cryptochromes (CRYs) that were first identified in Arabidopsis and Drosophila as key molecular components of circadian photo-entrainment pathways. Physico-chemical studies suggest that photo-activation of flavin adenine dinucleotide (FAD) bound to CRY generates a FAD o− Trp o+ radical pair as electrons skip along a chain of specific Trp residues and that the quantum spin chemistry of these radicals is sensitive to magnetic fields. The manipulation of CRY in several insect species has been performed using gene editing, replacement/rescue and knockdown methods. The effects of these various mutations on magnetosensitivity have revealed a number of surprises that are discussed in the light of recent developments from both in vivo and in vitro studies.

Keywords

cryptochrome | Drosophila | radical pairs | electron spin | quantum | migration | circadian

Exposure:

Earth's magnetic field
ELF (50/60 Hz)

EMF:data assessment

Summary

Das Erdmagnetfeld spielt eine wichtige Rolle bei den spektakulären Wanderungen und Navigationsfähigkeiten vieler höherer Tiere, insbesondere der Vögel. Diese Organismen lassen sich jedoch nicht genetisch analysieren, anders als die Fruchtfliege Drosophila melanogaster, die unter Laborbedingungen auf Magnetfelder reagieren kann. Die vorliegende Studie gibt einen Überblick über die Magnetosensitivität von Insekten und konzentriert sich dabei auf die Rolle der Cryptochrome (CRY), die zuerst in Arabidopsis und Drosophila identifiziert wurden. Die Auswirkungen von verschiedenen Mutationen auf die Magnetosensitivität haben eine Reihe von Überraschungen zutage gefördert, die nachfolgend zusammengefasst werden.

Ritz schlug 2004 vor, dass eine Klasse von Proteinen, die ursprünglich in Pflanzen und Tieren identifiziert wurden, die Cryptochrome (CRYs), das Potenzial haben, magnetische Reaktionen über einen Radikalpaar-Mechanismus (RPM) zu vermitteln. Die tierischen CRYs lassen sich in drei Hauptklassen einteilen. Die ersten beiden umfassen die Drosophila -ähnlichen CRYs und die vogelspezifischen CRYs, die lichtempfindlich sind. Die dritte Klasse umfasst die wirbeltierähnlichen CRYs, die bei vielen Tieren (einschließlich Vögeln und Insekten) als Repressoren wirken, die die zirkadiane Uhr negativ regulieren.

Source: ElektrosmogReport Dezember 2022 | 28. Jahrgang, Nr. 4

Study design and methods

Radikalpaar-Modell und -Mechanismus:

Dass Radikalpaare (RP) für Magnetfelder empfindlich sein könnten, wurde 1978 von Schulten et al. vorgeschlagen. Für die Bildung von Radikalen ist Energie erforderlich, die durch Licht bereitgestellt wird und einen Elektronentransfer von einem Donor-Molekül (das zu einer Kette organisiert sein kann) auf das angeregte Akzeptor-Molekül in Gang setzt. Auf diese Weise hat der Donor ein Elektron weniger und eine positive Ladung, während der Akzeptor ein zusätzliches Elektron und eine negative Ladung hat, was zu zwei gepaarten Radikalen führt. Gepaarte Elektronen können sich antiparallel (Singulett-Zustand, S) oder parallel (Triplett-Zustand, T) zueinander drehen. Die Umwandlung zwischen S- und T-Zuständen wird erleichtert durch die magnetische Wechselwirkung mit nahegelegenen Atomkernen, die so genannte Hyperfeinkopplung, die eine schnelle Umwandlung von S in T bewirkt. Die Autoren schlagen vor, dass man sich die Oszillation zwischen S- und T-Zuständen wie einen Elefanten vorstellen kann, der auf einem Ball balanciert, der leicht nach links oder rechts kippen kann. Während ein Elefant, der auf dem Boden steht, nicht leicht bewegt werden kann, braucht der Elefant auf dem Ball nur einen winzigen Stoß, um zu fallen. In dieser Analogie kann eine winzige Kraft wie das Erdmagnetfeld die Dynamik der instabilen S- zu-T-Umwandlung (der Elefant fällt nach links oder rechts) zugunsten des einen oder anderen Spin-Zustands verändern. Dies wirkt sich auf die Halbwertszeit des RP und die damit verbundenen Konformationsänderungen des Moleküls aus. Ein der Navigation zugrundeliegender RPM lässt sich bei Vögeln nur schwer untersuchen, da sie sich im Gegensatz zu Drosophila nicht so leicht für molekulare und genetische Analysen eignen. Fliegen sind jedoch nicht für ihre Navigations- und Migrationsfähigkeiten bekannt. Könnten sie dennoch ein Modellsystem darstellen, das für die Untersuchung des RPM nützlich und akzeptabel ist? Man bedenke, dass das CRY des nachtaktiven europäischen Rotkehlchens identische spezifische Merkmale (Tryptophan-Tetrade) mit beiden CRY von Drosophila melanogaster (dCRY) teilt. Zudem wurde wiederholt von verschiedenen Labors gezeigt, dass Drosophila und Monarchfalter verhaltensmäßig auf Magnetfelder reagieren. Die Quantenspinchemie, die der Magnetosensitivität zugrunde liegt, ist bei Vögeln und Insekten wahrscheinlich dieselbe.

Results

Es wurde experimentell nachgewiesen, dass Drosophila -Fliegen auf Magnetfelder reagieren, was bei erwachsenen Tieren Assoziationsaufgaben, zirkadiane Zyklen, Geotaxis, Balzverhalten der Männchen und bei Larven Krampfanfälle, Magnetfeld-Vermeidung und synaptische Reaktionen umfasst, die alle von blauem Licht und CRY abhängig sind.

Conclusions

Diese Phänotypen beruhen auf unterschiedlichen neuronalen Schaltkreisen, so dass eine Schlussfolgerung darin besteht, dass Magnetosensitivität eine allgemeine zelluläre Eigenschaft sein könnte und nicht nur für erregbare Zellen gilt, wie es in der Pflanzenliteratur über Magnetfelder beschrieben wird. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Navigation nicht die Evolution von spezialisierten Proteinen und Signalwegen erforderte, sondern die Organisation allgemeiner Eigenschaften in einer sensorischen Kaskade. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass magnetosensitive RP in biologischen Systemen zwar wahrscheinlich Sensoren für MF sind, dass es aber möglicherweise mehr als eine Art von magnetosensitiven RP gibt, nicht nur das lichtaktivierte CRY-RP. Radikale sind sehr reaktive chemische Spezies und daher kurzlebig, so dass durch Licht erzeugte RP nicht für einige Minuten (wie bei Pflanzen und Vögeln beschrieben) oder viele Stunden (bei P. apterus) in der Dunkelheit bestehen bleiben können. Die notwendige Schlussfolgerung aus diesen Experimenten ist, dass zumindest in einigen Zellen die Aktivierung von CRY durch Licht Kettenreaktionen auslöst, die für einige Zeit in der Dunkelheit fortbestehen können und alternative magnetosensitive RPs erzeugen.

In Drosophila wurden zwei Wege identifiziert, über die das Magnetosignal von CRY in eine neuronale Reaktion umgewandelt werden kann: Einer davon findet sich in den Uhrneuronen, wo dCRY mit einer Untereinheit ("hyperkinetic") des Kaliumkanals Kvβ assoziiert ist. (Dieser Signalweg kann experimentell durch niederfrequente elektromagnetische Felder aktiviert werden, Anm. der Red.). Der zweite Weg ist in der Netzhaut lokalisiert, wo dCRY mit dem Photorezeptor-Gerüstprotein INAD assoziiert ist, das eine Calmodulin-bindende Domäne besitzt. Es wird spekuliert, dass ein magnetosensitives dCRY, das innerhalb dieses Komplexes in der Netzhaut wirkt, den Fliegen ermöglichen könnte, Magnetfelder zu "sehen". (AT)