Осциллирующий ген - Oscillating gene

В молекулярная биология, колеблющийся ген это ген, который выразил в ритмическом образце или в периодических циклах.[1][2] Колеблющиеся гены обычно имеют циркадный ритм и могут быть идентифицированы по периодическим изменениям состояния организма. Циркадные ритмы, контролируемые колеблющимися генами, имеют период примерно 24 часа. Например, листья растений открываются и закрываются в разное время дня или график сна и бодрствования животных может включать циркадные ритмы. Возможны и другие периоды, например, 29,5 дня в результате окололунных ритмов или 12,4 часа в результате циратидных ритмов.[3] Осциллирующие гены включают в себя гены компонентов ядра и выходные гены. Ген компонента основных часов - это ген, необходимый для кардиостимулятора. Однако выходной колебательный ген, такой как AVP ген, ритмичен, но не обязателен для кардиостимулятора.[4]

История

Первые зарегистрированные наблюдения за колеблющимися генами происходят из маршей Александр Великий в четвертом веке до нашей эры.[5] В это время один из генералов Александра, Андростен, писал, что тамаринд днем ​​распускает листья, а с наступлением темноты закрывает их.[5] До 1729 года считалось, что ритмы, связанные с колебательными генами, являются «пассивными ответами на циклическую среду».[3] В 1729 г. Жан-Жак д'Орту де Майран продемонстрировали, что ритмы открывания и закрывания листьев растения продолжаются даже тогда, когда его помещают в такое место, куда не может попасть солнечный свет. Это было одним из первых указаний на наличие активного элемента в колебаниях. В 1923 г. Ингеборг Белинг опубликовала свою статью «Über das Zeitgedächtnis der Bienen» («О временной памяти пчел»), в которой распространялись колебания на животных, особенно пчел.[6] В 1971 г. Рональд Конопка и Сеймур Бензер обнаружил, что мутации ПЕРИОД Ген вызывал изменения циркадного ритма мух в постоянных условиях. Они предположили, что мутация гена влияет на основной механизм осциллятора.[7] Пол Хардин, Джеффри Холл и Михаил Росбаш продемонстрировали эту взаимосвязь, обнаружив, что в гене PERIOD существует механизм обратной связи, который контролирует колебания.[8] В середине 1990-х годов произошло излияние открытий. ЧАСЫ, ПЛАКАТЬ, и другие добавляются к растущему списку колеблющихся генов.[9][10]

Молекулярные циркадные механизмы

Первичный молекулярный механизм, лежащий в основе колеблющегося гена, лучше всего описать как петлю обратной связи транскрипции / трансляции.[11] Эта петля содержит как положительные регуляторы, которые увеличивают экспрессию генов, так и отрицательные регуляторы, которые снижают экспрессию генов.[12] Основные элементы этих петель встречаются в разных типах. Например, в циркадных часах млекопитающих факторы транскрипции ЧАСЫ и BMAL1 положительные регуляторы.[12] CLOCK и BMAL1 связываются с Электронная коробка осциллирующих генов, таких как Per1, Per2, Per3, Cry1 и Cry2, и активируют их транскрипцию.[12] Когда PER и CRY образуют гетерокомплекс в цитоплазме и снова входят в ядро, они ингибируют собственную транскрипцию.[13] Это означает, что со временем уровни мРНК и белка PER и CRY или любого другого колеблющегося гена в рамках этого механизма будут колебаться.

Также существует вторичная петля обратной связи или «стабилизирующая петля», которая регулирует циклическую экспрессию Bmal1.[12] Это вызвано двумя ядерными рецепторами, REV-ERB и ROR, которые подавляют и активируют транскрипцию Bmal1 соответственно.[12]

Помимо этих петель обратной связи, посттрансляционные модификации также играют роль в изменении характеристик циркадных часов, таких как их период.[13] Без какого-либо типа подавления обратной связи период молекулярных часов составлял бы всего несколько часов.[12] Было обнаружено, что члены казеинкиназы CK1ε и CK1δ являются протеинкиназами млекопитающих, участвующими в регуляции циркадных ритмов.[12] Мутации в этих киназах связаны с наследственным синдромом продвинутой фазы сна (FASPS ).[14] Как правило, фосфорилирование необходимо для деградации PER с помощью убиквитинлигаз.[15] Напротив, фосфорилирование BMAL1 через CK2 важно для накопления BMAL1.[16]

Примеры

Гены, представленные в этом разделе, представляют собой лишь небольшую часть из огромного количества колеблющихся генов, обнаруженных в мире. Эти гены были выбраны потому, что они были определены как одни из наиболее важных генов, регулирующих циркадный ритм в соответствующей классификации.

Гены млекопитающих

  • Cry1 и Cry2 - Криптохромы - это класс чувствительных к синему свету флавопротеинов, обнаруженных в растениях и животных. Cry1 и Cry2 кодируют белки CRY1 и CRY2. В Дрозофила, CRY1 и CRY2 связываются с ТИМ, циркадный ген, который является компонентом петли отрицательной обратной связи транскрипции-трансляции, светозависимым образом и блокирует ее функцию. У млекопитающих CRY1 и CRY2 не зависят от света и действуют, чтобы ингибировать димер CLOCK-BMAL1 циркадных часов, который регулирует цикл транскрипции Per1.[17]
  • Bmal1 - Bmal1, также известный как ARNTL или ядерный транслокатор рецептора арилуглеводородов, кодирует белок, который образует гетеродимер с белком CLOCK. Этот гетеродимер связывается с энхансерами E-бокса, обнаруженными в промоторных областях многих генов, таких как Cry1, Cry2 и Per1-3, тем самым активируя транскрипцию. Образовавшиеся белки перемещаются обратно в ядро ​​и действуют как негативные регуляторы, взаимодействуя с CLOCK и / или BMAL1, ингибируя транскрипцию.[11]
  • Часы - Часы, также известные как Циклы Циркадного Двигателя Капут, являются транскрипционным фактором в циркадном кардиостимуляторе у млекопитающих. Он влияет как на устойчивость, так и на период циркадных ритмов, взаимодействуя с геном Bmal1. Для получения дополнительной информации обратитесь к Bmal1.
  • За гены - существует три разных гена, также известных как гены периода (на 1, на 2 и на 3), которые связаны последовательностью у мышей. Уровни транскрипции mPer1 повышаются поздно ночью перед субъективным рассветом и сопровождаются увеличением уровней mPer3, а затем mPer2. mPer1 достигает пиков на CT 4-6, mPer3 на CT 4 и 8 и mPer2 на CT 8.[18] mPer1 необходим для фазовых сдвигов, вызванных высвобождением света или глутамата.[19] mPer 2 и mPer3 участвуют в сбросе циркадных часов на световые сигналы окружающей среды.[20]

Дрозофила гены

  • Часы - Ген часов в Дрозофила кодирует белок CLOCK и образует гетеродимер с белком CYCLE, чтобы контролировать основную колебательную активность циркадных часов.[21] Гетеродимер связывается с областью промотора E-бокса как per, так и tim, что вызывает активацию экспрессии их соответствующих генов. Как только уровни белков для PER и TIM достигают критической точки, они также димеризуются и взаимодействуют с гетеродимером CLOCK-CYCLE, чтобы предотвратить его связывание с E-Box и активацию транскрипции. Эта отрицательная обратная связь важна для функционирования и синхронизации циркадных часов.[22]
  • Цикл - ген цикла кодирует белок CYCLE с образованием гетеродимера с белком CLOCK. Гетеродимер создает петлю обратной связи транскрипции-трансляции, которая контролирует уровни как гена PER, так и TIM. Было показано, что эта петля обратной связи необходима как для функционирования, так и для синхронизации циркадных часов в Дрозофила. Для получения дополнительной информации см. Часы.[21]
  • Per - ген per - это тактовый ген, который кодирует белок PER в Дрозофила. Уровни белка и скорости транскрипции PER демонстрируют устойчивые циркадные ритмы, пик которых приходится на CT 16. Он создает гетеродимер с TIM для контроля циркадного ритма. Гетеродимер проникает в ядро, чтобы ингибировать гетеродимер CLOCK-CYCLE, который действует как активатор транскрипции для per и tim. Это приводит к ингибированию факторов транскрипции per and tim, тем самым снижая соответствующие уровни мРНК и уровни белка.[23] Для получения дополнительной информации см. Часы.
  • Вневременной - ген tim кодирует белок TIM, который имеет решающее значение для циркадной регуляции в Дрозофила. Его уровни белка и скорости транскрипции демонстрируют циркадные колебания, которые достигают пика около CT 16. TIM связывается с белком PER, чтобы создать гетеродимер, петля обратной связи транскрипции-трансляции которого контролирует периодичность и фазу циркадных ритмов. Для получения дополнительной информации см. Период и Часы.[8]

Грибковые гены

  • Frq - Ген Frq, также известный как ген частоты, кодирует центральные компоненты колебательного цикла в циркадных часах в Нейроспора. В петле обратной связи осциллятора frq порождает транскрипты, которые кодируют две формы белка FRQ. Обе формы необходимы для устойчивой ритмичности во всем организме. Ритмические изменения количества транскриптов frq необходимы для синхронной активности, а резкие изменения уровней frq сбрасывают часы.[18]

Бактериальные гены

  • Гены каи - обнаружены в Synechococcus elongatus, эти гены являются важными компонентами часов цианобактерий, ведущего примера бактериальные циркадные ритмы. Белки Kai регулируют экспрессию генов в масштабе всего генома. Колебания фосфорилирования и дефосфорилирования KaiC действуют как водитель ритма циркадных часов.[24]

Гены растений

  • CCA1 - Ген CCA1, также известный как циркадный и связанный с часами ген 1, является геном, который особенно важен для поддержания ритмичности клеточных колебаний растений. Сверхэкспрессия приводит к потере ритмической экспрессии генов, контролируемых часами (CCG), потере контроля над фотопериодом и потере ритмичности в экспрессии LHY. См. Ниже ген LHY для получения дополнительной информации.[18]
  • LHY - ген LHY, также известный как Поздний удлиненный гипокотиль ген, представляет собой ген, обнаруженный в растениях, который кодирует компоненты взаимно регулирующих петель отрицательной обратной связи с CCA1, в которых сверхэкспрессия любого из них приводит к ослаблению их экспрессии. Эта отрицательная обратная связь влияет на ритмичность множественных выходов, создавая дневной белковый комплекс.[18]
  • Ген Toc1 - Toc1, также известный как ген синхронизации экспрессии CAB 1, представляет собой колеблющийся ген, обнаруженный в растениях, который, как известно, контролирует экспрессию CAB. Было показано, что он влияет на период циркадных ритмов за счет подавления факторов транскрипции. Это было обнаружено через мутации toc1 у растений, у которых был укороченный период экспрессии CAB.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Таттл, Л. М.; Салис, Н; Томшайн, Дж; Казнессис, Ю.Н. (2005). "Модельные конструкции колеблющейся генной сети". Биофиз. J. 89 (6): 3873–83. Bibcode:2005BpJ .... 89.3873T. Дои:10.1529 / biophysj.105.064204. ЧВК  1366954. PMID  16183880.
  2. ^ Морено-Рисуено, Мигель; Бенфей, Филипп Н. (2011). «Основанное на времени формирование паттерна в развитии: роль колеблющейся экспрессии генов» (PDF). Landes Bioscience. 2 (3): 124–129. Дои:10.4161 / trns.2.3.15637. ЧВК  3149689. PMID  21826283.
  3. ^ а б Мур, Мартин К., Фрэнк М. Сульцман и Чарльз А. Фуллер. Часы, которые измеряют нам: физиология циркадной системы синхронизации. Издательство Гарвардского университета.
  4. ^ Buhr, ED; Такахаши, Дж.С. (2013). «Молекулярные компоненты циркадных часов млекопитающих». Справочник по экспериментальной фармакологии. 109 (5–6): 406–15. Дои:10.3109/00016489009125162. PMID  2360447.
  5. ^ а б Фон доктора Хьюго Бретцля. 'Botanische Forschungen des Alexanderzuges'. Лейпциг: Тойбнер. 1903 г.
  6. ^ Белинг, Ингеборг (1929). "Über das Zeitgedächtnis der Bienen". Zeitschrift für Vergleichende Physiologie. 9 (2): 259–338. Дои:10.1007 / BF00340159.
  7. ^ Конопка, Р.Дж.; Бензер, Сеймур (1971). «Часовые мутанты Drosophila melanogaster». Труды Национальной академии наук. 68 (9): 2112–2116. Bibcode:1971ПНАС ... 68.2112К. Дои:10.1073 / pnas.68.9.2112. ЧВК  389363. PMID  5002428.
  8. ^ а б Hardin, P.E .; Hall, J.C .; Росбаш, М. (1990). «Обратная связь продукта гена периода Drosophila на циркадном цикле уровней его информационной РНК». Природа. 343 (6258): 536–40. Bibcode:1990Натура.343..536H. Дои:10.1038 / 343536a0. PMID  2105471.
  9. ^ Томпсон CL, Санкар А (2004). «Криптохром: открытие циркадного фотопигмента». В Lenci F, Хорспул WM. Справочник CRC по органической фотохимии и фотобиологии. Бока-Ратон: CRC Press. С. 1381–89. ISBN  0-8493-1348-1.
  10. ^ Кинг, ДП; Чжао, Y; Сангорам, AM; Wilsbacher, LD; Танака, М; Антох, депутат; Стивс, Т. Д.; Vitaterna, MH; Kornhauser, JM; Lowrey, PL; Турек, ФВ; Такахаши, Дж.С. (1997). «Позиционное клонирование гена циркадных часов мыши». Клетка. 89 (4): 641–653. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 80245-7. ЧВК  3815553. PMID  9160755.
  11. ^ а б Репперт, Стивен М .; Уивер, Дэвид Р. (2002). «Координация суточного ритма у млекопитающих». Природа. 418 (6901): 935–941. Bibcode:2002Натура 418..935р. Дои:10.1038 / природа00965. PMID  12198538.
  12. ^ а б c d е ж грамм Kwon, I .; Choe, HK; Сын, GH; Кёнджин, К. (2011). "Молекулярные часы млекопитающих". Экспериментальная нейробиология. 20 (1): 18–28. Дои:10.5607 / en.2011.20.1.18. ЧВК  3213736. PMID  22110358.
  13. ^ а б Гальего, М; Виршуп, DM (2007). «Посттрансляционные модификации регулируют тиканье циркадных часов». Нат Рев Мол Cell Biol. 8 (2): 139–148. Дои:10.1038 / nrm2106. PMID  17245414.
  14. ^ Toh, KL; Джонс, CR; Привет; Эйде, Э.Дж.; Hinz, WA; Виршуп, DM; Птачек, LJ; Фу, YH (2001). «Мутация сайта фосфорилирования hPer2 при семейном синдроме продвинутой фазы сна». Наука. 291 (5506): 1040–1043. Bibcode:2001Научный ... 291.1040Т. CiteSeerX  10.1.1.722.460. Дои:10.1126 / science.1057499. PMID  11232563.
  15. ^ Цена, JL; Блау, Дж; Ротенфлу, А; Абодели, М; Клосс, Б; Янг, MW (1998). «Двойное время - это новый ген часов Drosophila, который регулирует накопление белка PERIOD». Клетка. 94 (1): 83–95. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81224-6. PMID  9674430.
  16. ^ Тамару, Т; Hirayama, J; Исодзима, Y; Нагаи, К; Нориока, S; Такамацу, К. Сассоне-Корси, П. (2009). «CK2-альфа фосфорилирует BMAL1 для регулирования часов млекопитающих». Нат Структ Мол Биол. 16 (4): 446–448. Дои:10.1038 / nsmb.1578. ЧВК  6501789. PMID  19330005.
  17. ^ Гриффин, EA; Стакнис, Д; Weitz, CJ (1999). «Независимая от света роль CRY1 и CRY2 в циркадных часах млекопитающих». Наука. 286 (5440): 768–71. Дои:10.1126 / наука.286.5440.768. PMID  10531061.
  18. ^ а б c d Данлэп, JC (1999). «Молекулярные основы циркадных часов». Клетка. 96 (2): 271–290. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 80566-8. PMID  9988221.
  19. ^ Акияма, М. Коузу, Y; Такахаши, S; Wakamatsu, H; Мория, Т; Maetani, M; Ватанабэ, S; Tei, H; Сакаки, ​​Y; Шибата, S (1999). «Ингибирование индуцированной светом или глутаматом экспрессии mPer1 подавляет фазовые сдвиги в циркадных локомоторных и супрахиазматических ритмах возбуждения у мышей». J. Neurosci. 19 (3): 1115–21. Дои:10.1523 / jneurosci.19-03-01115.1999. ЧВК  6782139. PMID  9920673.
  20. ^ Альбрехт, У; Чжэн, Б; Ларкин, Д; Солнце, ЗС; Ли, CC (2001). «MPer1 и mper2 необходимы для нормального сброса циркадных часов». J. Biol. Ритмы. 16 (2): 100–4. Дои:10.1177/074873001129001791. PMID  11302552.
  21. ^ а б Hung, HC; Maurer, C; Zorn, D; Чанг, WL; Вебер, Ф (2009). «Последовательное фосфорилирование, специфичное для компартментов, контролирует жизненный цикл циркадного белка CLOCK». Журнал биологической химии. 284 (35): 23734–42. Дои:10.1074 / jbc.M109.025064. ЧВК  2749147. PMID  19564332.
  22. ^ Ю, З; Чжэн, H; Хоул, JH; Dauwalder, B; Хардин, ЧП (2006). «PER-зависимые ритмы фосфорилирования CLK и связывания E-бокса регулируют циркадную транскрипцию». Genes Dev. 20 (6): 723–33. Дои:10.1101 / gad.1404406. ЧВК  1434787. PMID  16543224.
  23. ^ Ishida, N; Канеко, М; Аллада, Р. (1999). «Биологические часы». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 96 (16): 8819–20. Bibcode:1999PNAS ... 96.8819I. Дои:10.1073 / пнас.96.16.8819. ЧВК  33693. PMID  10430850.
  24. ^ Накадзима, М; и другие. (2005). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования KaiC цианобактерий in vitro». Наука. 308 (5720): 414–5. Bibcode:2005Наука ... 308..414N. Дои:10.1126 / science.1108451. PMID  15831759.