昼夜节律的分子基础

地球上的生命进化旋转球体绕恒星,和生物-从最早的蓝藻对人类和植物不得不应对光和温度的日变化从一天到晚上。在真核生物,这每日周期是反映在几乎每一个细胞的细胞核。一个振荡模式的蛋白质生产和解体维护(大约)24小时脉冲-分子钟的滴答声。在人类和其他日物种,当一天接近蛋白质产生温暖我们兴奋和更低的阈值;叫醒我们,让我们准备好食物和活动。产生的蛋白质在晚上提供一个冷却器,虽然生理上活跃,睡觉。然后循环再次开始。

在DNA序列的基地聚合物,在细胞核细胞紧密,编码蛋白质的序列对绝大多数会通过创建的有机体。这将取决于蛋白质分子催化剂,转录因子,它绑定到特定部分的DNA和RNA聚合酶可以创建一个记录的序列。这个信使核糖核酸(mRNA)运出细胞核和指导蛋白质合成在细胞质中。但细胞如何知道使用哪一个转录因子时,是如何生产的蛋白质通过日夜精心策划?

西摩奔驰1971年,加州理工学院的教授在美国,和他的研究生罗纳德·Konopka暴露果蝇乙基磺酸甲酯创建错误在他们的DNA。他们创造突变体,表现得好像他们已经进化出不同的行星,行星旋转时间19日或27小时,或者没有内在的光明与黑暗周期。值得注意的是他们能够显示单个基因,一个特定的DNA片段,这种变化负责。这是第一次行为(而不是物理特性,如眼睛的颜色或机翼形状)与基因有关,但未能立即欣赏这项工作的重要性。迈克尔Rosbash,马萨诸塞州布兰代斯大学的我们,在他的获奖感言中指出2017年诺贝尔生理学或医学奖,奔驰和Konopka的开创性论文只收到9引用在接下来的十年。

细胞如何知道转录因子时使用哪一个

直到DNA重组等技术的发展,这种基因的DNA测序,或称为时期每,指定的每个蛋白质可以在生理特征及其作用系统可能开始被阐明。

”1990年,保罗·哈丁生产最重要的纸从我实验室显示每个蛋白参与了一个反馈回路控制自己的信使rna的振荡,”Rosbash解释道。如果你重复的修改飞实验周期蛋白有一个氨基酸的区别从野生型蛋白,然后mRNA的峰值浓度的差异是19或20个小时而不是24小时,完全模仿的行为修改飞。”

早期文章没有提到每蛋白质转录——研究人员认为,可能与信使rna在细胞质中合成。后续工作,每进入细胞核的细胞,并确定了蛋白质在细胞核转录因子它关闭,包括时钟和BMAL转录因子在哺乳动物中,转录因子和时钟周期在果蝇。

时钟机制出现的大纲。在几个小时,从清晨开始,每个蛋白质在细胞质中合成并开始积累。随着浓度的增加,它开始被运送到细胞核,在半夜的时候达到顶峰。在原子核结合和失效的转录因子,停止生产自己的信使rna,并关掉进一步生产。在接下来的几个小时,每个蛋白质在细胞核退化和删除,直到mRNA又开始出口增加每生产一天。

这个负面反馈循环的核心是一个昼夜几乎拜占庭控制系统的复杂性,相互关联的转录和反馈回路控制节奏的生产10 - 20%的蛋白质从哺乳动物细胞在生物植物和昆虫。

调节化学

昼夜节律的外部表现是显而易见的——我们的睡眠和清醒,维持或失去注意力,改变我们的体温和定期使用浴室。和社会进化的这个节奏行为的益处显而易见。与地球的自转同步允许昼夜生物如人类充分利用白天时间和内存限制细胞修复和调整夜间。这种同步帮助我们生活在团体,每个人都在同一时间做同样的事情。但是最早的也是最重要的一个生理系统的好处是控制化学。

的上细胞在进化过程中是一个关键的步骤,创建不同的区域,可以做不同的化学反应,通过膜分离反应物和产物可以通过,”Russell Foster解释生理神经科学教授在英国牛津大学。的时间分离的发展同样重要。不同的代谢步骤,例如氧化和还原反应,必须将发生在不同的时间。

代谢激素的浓度胰高血糖素和胰岛素每天不同的饮食。内在日夜差异在心脏细胞的氧化还原状态影响心脏兴奋性离子通道的通过调制,并可能产生大脑状态的变化,让我们晚上建立记忆。

灯光控制

1998年,Ueli Schibler率领团队在瑞士日内瓦大学,发现小鼠成纤维细胞冷冻了25年仍能表达强烈的昼夜节律,远离任何信号可能来自其他地方的老鼠。很快,一个时钟机制存在于几乎所有细胞。这些无数的节拍时钟保持对齐的控制脉冲的大约20000个神经元在视交叉上核(SCN)——大脑的一个微小的区域位于接近视神经纤维。

是福斯特乐团的类比:第一次使用的视交叉上核是导体保持各种乐器演奏相同的速度,因为他们读的音乐生活从DNA的分数。如果你射击指挥一切都发生在同一时间。你有一个刺耳而不是交响乐”

但这个时钟可以改变。结合季节变化的昼夜长度,动物必须调整他们的内在时钟到新的周期。国际旅行者——最终——设法调整他们的新时区。

这是一个挑战的青少年经常体验光到深夜,但很少看日出!

光线是最重要的环境时间提示重置,或夹带,生物钟。没有光明与黑暗的日常周期,时钟开始漂移。节奏依然存在,但他们偏离的24小时周期。各种“掩体”实验中,志愿者们住在空闲的时间常数的环境光和温度和不规则的饮食供应,表明随着时间的推移,他们开始住在一个长的时间。没有每日同步提示,我们大多数人会晚起床。

促进实验室的研究表明光的时机是至关重要的。在早期的晚上,一个光脉冲信号延长一天;视交叉上核时钟的相位延迟适应这种变化。但是,在深夜,过早光信号提前一天;时钟响应通过推进的阶段,”福斯特解释道。这是一个挑战青少年经常体验光到深夜,但很少看日出!”

人们最初认为携入的哺乳动物的视交叉上核的信号来自眼睛的视杆细胞和视锥细胞。但在1990年代末的研究表明,老鼠缺乏所有的视杆细胞和视锥细胞仍然可以同步他们的昼夜节律光水平完全正常。当眼睛被覆盖的能力使我们迷路了,所以应该有另一个光感受器在眼内,”福斯特说。

这就是为什么我们时差:时钟不能立即移动到一个新的dawn-dusk周期

神经节细胞接收信息的眼睛的感光细胞,视杆细胞和视锥细胞,向大脑发送信号解释为视觉信息。但这些神经节细胞(1 - 2%)感光。它们包含光色素,视网膜蛋白质,直接响应不同的光明与黑暗,将这些信息发送到视交叉上核。这是失踪的受体。

当正确的波长的光击中视网膜光色素,它触发一个信号序列事件增加钙(Ca的水平^{2 +})和3 ',5 '环腺苷酸(cAMP)在一个SCN神经元,”福斯特说。这激活蛋白转录因子,增加每个蛋白mRNA的生产,从而增加每。

但是所有的平衡机制中的每个细胞仍在操作,所以增强不会持续太久。“这就是为什么我们有时差:时钟不能立即移动到一个新的dawn-dusk周期,因为有一个刹车灯时钟的影响,”福斯特说。

温度神秘

24小时的另一个显著特征振荡的代谢过程是击败的推移,镇定,如温度变化。

一个时钟,使花朵开放的阳光将是无用的气温下降时如果它慢了下来。即使在温血动物有一个温度梯度之间的皮肤和身体的核心。如果细胞内代谢过程的时机取决于他们,外面的天气是什么样子,这将是混乱。

这temperature-independence是一个主要的障碍早期接受一种生物钟机制(而不是时机纯粹基于外部线索如昼/夜)。生物反应遵守阿伦尼乌斯的关系,正如任何其他化学过程,直到最近没有人可以提供一个令人信服的理由时钟没有加速当它得到温暖。

Hiroki建筑师最近的工作在日本东京大学向我们揭示了部分答案:因为每个蛋白质抑制生产所需的时钟蛋白质-把白天的活动变成夜间休息每减少将推迟。大部分的蛋白质在细胞生命周期很短。一旦他们完成了他们的任务,成为不稳定或展开,他们被回收。诀窍提供热变化的一个敏感的平衡是破坏正确的数量的每个。

理解这个精巧平衡化学我们必须引入另一个家庭的球员——酪蛋白激酶1酶。的生物钟,酪蛋白激酶1转移磷酸基从三磷酸腺苷(ATP)。增加的费用每使蛋白质不稳定,它变成了一个泛素化和处置的目标。

“我们已经表明,在工作中有两种不同的机制放缓/蛋白质的磷酸化随着温度的增加,”建筑师说。反应物的亲和力enzyme-ATP复杂基质,如每在更高的温度降低。分子动力学表明,这是由于大催化剂形状波动减缓绑定。的刹车也应用于反应方程的另一边。产品enzyme-ADP复杂的亲和力增加,”他解释说。”这两种机制,在不同的网站,导致每蛋白质磷酸化的温度补偿,保持时钟的准确性”

值得注意的是,复杂但健壮的温度补偿的现象是由几个磷酸基,简单的静电电荷的变化。

发条分子

昼夜系统最终是一种化学现象——和一些最激动人心的目前的工作的目的是理解分子尺度行为发条机制。一个很好的起点是一个简单的时钟。

昼夜节律开始作为响应。5亿年前,蓝藻细菌进化的一个简单的分子钟,使得单细胞有机体能够预见到黎明和保护其DNA免受有害紫外线。蓝藻措施*仅使用三种相互关联的蛋白质,KaiA KaiB, KaiC。他们的自组装变化KaiC蛋白质磷酸化在白天,晚上de-phosphrylated。这个改变转录因子的活性,蛋白质的自助餐,选择由细胞。但什么样的措施——是什么让这个过程需要24小时?

最近的工作由安迪LiWang加州大学默塞德在美国和凯莉Partch加州大学,圣克鲁斯,暴露的一些分子动力学控制这个时钟。“Hydrogen-deuterium交流蛋白质质谱分析表明,KaiB经历一个缓慢重折叠的不活跃的一个活跃的状态,“Partch说。我们能够使具体化的一个版本“锁定”的蛋白质进入短暂的活动状态,让我们来看看这三个蛋白质相互作用在夜间。这很重要,因为它强调不同的蛋白质争夺相同的接口。这个竞争激烈的绑定,以及慢重折叠KaiA KaiB和动态切换,允许时钟之间的测量时间一次又一次的日落和日出。

静态部分让你正确的位置在DNA,但激动人心的部分是在动态的地区

Partch一直看着其他蛋白质参与生理系统,和找到更多实例蛋白质动力学导致时钟时间。当人们试图呈现一种蛋白质通常夹了无序区域,但所有的乐趣是在动态的蛋白质的一部分,”她说。“如果你分析之间的区别的两个非常相似的变异BMAL蛋白质——一个在生物钟(BMAL1)工作,另一个不(BMAL2)——和你交换的两个,你发现哪些地区需要时钟的行为。有一些特别的几个关键地区BMAL1的无序的尾巴在时间中起着重要的作用。

蛋白质的新兴模式是静态部分,框架包含结构允许时钟与BMAL发现和绑定,并识别和结合DNA和更灵活的区域,导致时钟的时间。的静态部分让你正确的位置在DNA开始一个特定基因的转录,但激动人心的部分——你得到控制的动态区域,“Partch说。每蛋白质也许不足为奇的是,在昼夜时间扮演如此重要的角色,主要是无序的。它拥有超过1200个氨基酸- 800的预测无序,“Partch说。

在过去的45年,生理系统生物学的研究打开了一扇窗生命的机制和我们地球家园的节奏有着千丝万缕的联系。2017年诺贝尔奖承认早期的见解蛋白的生产和破坏的模式,它提供了一个关键的自我调节的反馈循环。现代分子生物学工具识别更多的分子参与了复杂系统的制衡,测量出一天的时间和季节。新的研究开始揭示化学反应,分子动力学,竞争绑定和扩散,决定了他们的行为。

现在我们已经击败,我们确定了导体和我们开始阅读分数。个分子级的见解将向我们展示如何演奏乐器,而且谁知道变化我们将组成生命的交响乐吗?”拉塞尔说。

菲奥娜是位于圣地亚哥的科学作家