TOC1 (ген) - TOC1 (gene)

Для протокола связи см. Протокол TOC1.
Время CAB-выражения 1
Идентификаторы
ОрганизмArabidopsis thaliana
СимволAPRR1
Альт. символыTOC1, AtTOC1, MFB13.13, РЕГУЛЯТОР ПСЕВДО-ОТКЛИКА 1
Entrez836259
RefSeq (мРНК)NM_125531.3
RefSeq (Prot)NP_200946.1
UniProtQ9LKL2
Прочие данные
Хромосома5: 24,69 - 24,7 Мб
toc1
Ген
Количество экзонов6
Количество интронов5
Размер3,49 кб
мРНК
размер2713 п.н.
Протеин
Молекулярный вес69,2 кДа
число Пи7.5
Аминокислоты618
Расположение в Арабидопсис
Хромосома5
Расстояние79,0 см
Метка локусаAT5G61380

Время выражения CAB 1 это белок что в Arabidopsis thaliana кодируется TOC1 ген. TOC1 также известен как двухкомпонентный регулятор отклика типа APRR1.

TOC1 был первым геном растения, который при мутации давал циркадный фенотип. Он кодирует фактор транскрипции ТОС1, влияющий на период роста растений циркадные ритмы: встроенные податливые колебания, повторяющиеся каждые 24 часа. Ген кодирует транскрипционный репрессор, TOC1, один из пяти регуляторов псевдоответа (PRR), которые опосредуют период циркадных часов у растений. Белок TOC1 участвует в вечерней петле часов, которая является репрессилятор который напрямую подавляет транскрипцию генов утренней петли LHY и CCA1.[1] Ген Toc1 экспрессируется в большинстве структур и клеток растений и имеет локус на хромосоме 5.[2]

Исторический контекст

Открытие

Ген TOC1 был первоначально открыт профессором Эндрю Милларом и его коллегами в 1995 году, когда Миллар был аспирантом. Миллар разработал инновационный генетический скрининг, в котором он связал биолюминесцентный репортер, светлячок (люцифераза ), экспрессии CAB (хлорофилл-a, b-связывающий белок - см. Светоуборочные комплексы зеленых растений ) в Арабидопсис. Измеряя биолюминесценцию в течение дня, Миллар обнаружил, что экспрессия CAB демонстрирует колебательные паттерны при постоянном освещении и колеблется с более коротким периодом у мутантных растений toc1. Он также сопоставил ген toc1 с хромосомой 5. Эти методы и открытия были опубликованы и помещены на обложку Наука журнал в феврале 1995 года.[3]

Частично потому, что первоначальные исследования часовых генов проводились в Дрозофила в 1970-х годах, а затем и у млекопитающих, первоначально считалось, что циркадные часы растений функционируют аналогично часам млекопитающих. У млекопитающих положительные и отрицательные регуляторные элементы действуют в петлях обратной связи, управляя циркадными колебаниями; а именно, гены Per и Cry активируются положительными элементами CLOCK и BMAL с образованием белков, которые при фосфорилировании действуют как отрицательные элементы, подавляя активирующую функцию комплекса CLOCK: BMAL. Таким образом, Per и Cry ингибируют собственную транскрипцию.[4][5]

Напротив, группа Миллара обнаружила, что белок TOC1 является негативным регулятором, а часы растений лучше моделировать как репрессилятор - система, в которой один ген подавляет другой и, в свою очередь, подавляется другим, образуя взаимозависимую колеблющуюся генную сеть. Этот вывод был достигнут благодаря 1) Арабидопсис мутанты с конститутивным (всегда включенным) toc1 экспрессия гена, который показал снижение количества мРНК в генах утренней петли prr7 и 9, cca1 и lhy и генах вечерней петли gi и elf4; и 2) растения с мутациями в toc1 и растения, у которых РНКи использовался для нокаута toc1. Эти мутанты без функционального toc1 показали продвинутую фазу lhy, что указывает на меньшую репрессию в отсутствие белка TOC1.[6]

Исследование Карла Страйера и его коллег показало, что участие гена toc1 в транскрипции сокращает циркадные ритмы в постоянной темноте в дополнение к постоянному свету, и что TOC1 циркадно регулируется и участвует в регуляции своей собственной петли обратной связи.[7]

Эволюционная история

  • Гомологи

Гомологи TOC1 были обнаружены в лиратном роккрессе, Brassica, папайя, огурец, клубника, соя, лотос, яблоко, персик, тополь западный (Populus ), клещевина, помидор, картофель, виноградная лоза, и нут.[8]

  • Полиморфизмы

21 полиморфизм обнаружен в Арабидопсис, включая замены, вставки и удаления.[2]

Характеристики белка

Структурные мотивы

Как и другие четыре белка PRR, обнаруженные в Арабидопсис, TOC1 находится в ядре и использует псевдоприемник (PR) домен в N-конец и домена CONSTANS, CONSTANS-LIKE и TOC1 (CCT) в C-конец.[1] Через свой домен CCT TOC1 может напрямую связывать ДНК, а домен PR отвечает за активность репрессии транскрипции.[9]

Функции и взаимодействия

TOC1 связывается с промоторными областями G-бокса и EE-мотива генов, участвующих как в утренних, так и в вечерних петлях обратной связи транскрипции-трансляции, которые управляют циркадными часами растений; эти гены включают PRR7 и 9, CCA1 и LHY в утренней петле обратной связи и GI и ELF4 в вечерней петле. Дискретная индукция экспрессии гена TOC1 приводит к снижению экспрессии CCA1 и PRR9, указывая на то, что TOC1 играет скорее репрессивную, чем стимулирующую роль в регуляции экспрессии циркадных генов.[6] Репрессия генов утренней петли lhy и cca1 была предсказана с помощью компьютерного моделирования и стала доказательством, необходимым для переопределения роли toc1 в часах растений как части тройного отрицательного компонента. репрессилятор модель, а не система положительных / отрицательных элементов, подобная той, что наблюдается у млекопитающих.[10]

Паттерн связывания домена CCT TOC1 демонстрирует циркадные колебания с максимальным связыванием с G-боксом и мотивами EE - промоторными областями, которые связывают факторы транскрипции, - происходящим на CT15 в раннюю субъективную ночь растения.[9] Это проявлялось в потере связующих ритмов в Арабидопсис мутанты с конститутивной экспрессией TOC1, колебания связывания которых регулируются количеством белка.[6]

TOC1 также, кажется, участвует в петле обратной связи с абсцизовая кислота, ключевой гормон растения, участвующий в развитии и реакции на стресс. Арабидопсис растения, на которые наносили различные количества ABA, показали соответствующие различия в экспрессии TOC1 и продолжительности циркадного периода. Посредством компьютерного моделирования этого контура обратной связи было показано, что TOC1 является основанным на часах влиянием на шаблоны стома открытие и закрытие, которое традиционно описывалось как процесс, регулируемый в основном ABA.[11]

Посттрансляционные модификации

В течение циркадного цикла TOC1 по-разному фосфорилированный, с пиковым фосфорилированием в ночное время.[1] В сильно фосфорилированном состоянии TOC1 имеет более высокое сродство связывания с F-бокс протеин ZEITLUPE (ZTL).[1] Помимо контроля взаимодействий TOC1-ZTL, фосфорилирование N-конца белка TOC1 увеличивает взаимодействие с PRR3, одним из пяти белков PRR, обнаруженных в Арабидопсис.[1] Из исследований с мутантами ztl-1, которые имеют один миссенс-мутация в келч-домене белка и эффективно вызывают ztl нулевая мутация Было обнаружено, что белок TOC1 стабилизирован, а циклический цикл TOC1 в значительной степени устранен.[1] Хотя фосфорилирование белка TOC1 стабилизирует взаимодействия с ZTL, оно также увеличивает сродство TOC1 к PRR3.[1] Это в конечном итоге защищает TOC1 от ZTL-опосредованной деградации.[1] PRR3 действует как конкурентный ингибитор взаимодействия ZTL-TOC1, поскольку связывание TOC1 с PRR3 приводит к снижению доступности субстрата TOC1 для ZTL-зависимой деградации.[1] Это приводит к увеличению амплитуды циклирования TOC1, подразумевая, что стабильное циклирование TOC1 зависит от деградации ZTL в дополнение к контролю регуляции транскрипции.[1]

Сельскохозяйственное использование

Чтобы наиболее эффективно использовать ресурсы окружающей среды, такие как свет, растения обычно синхронизируют свои циркадные ритмы в соответствии с периодом окружающей среды. В исследовании, опубликованном в 2005 году, было показано, что растения, циркадный период которых совпадает с периодом цикла свет-темнота в окружающей среде, имеют повышенный фотосинтез и рост.[12] Используя эти знания, ботаники могут воспользоваться мутацией в гене toc1, которая, как было показано, сокращает период растения. Вероятно, что эти мутанты toc1 могут быть легко использованы для получения растений за более короткий промежуток времени и с меньшим количеством энергии.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Fujiwara S, Wang L, Han L, Suh SS, Salomé PA, McClung CR, Somers DE (август 2008 г.). «Посттрансляционная регуляция циркадных часов Arabidopsis посредством селективного протеолиза и фосфорилирования белков-регуляторов псевдореактивного ответа». J. Biol. Chem. 283 (34): 23073–83. Дои:10.1074 / jbc.M803471200. PMID  18562312.
  2. ^ а б "Locus: AT5G61380". Информационный ресурс по арабидопсису. Государственный университет Огайо.
  3. ^ Миллар А.Дж., Карре И.А., Страйер Калифорния, Чуа Н.Х., Кей С.А. (февраль 1995 г.) «Мутанты циркадных часов у Arabidopsis, идентифицированные с помощью люциферазной визуализации». Наука. 267 (5201): 1161–3. Bibcode:1995Научный ... 267.1161M. Дои:10.1126 / science.7855595. PMID  7855595.
  4. ^ Ко CH, Takahashi JS (октябрь 2006 г.). «Молекулярные компоненты циркадных часов млекопитающих». Гм. Мол. Genet. 15 Спец. № 2: Р271–7. Дои:10.1093 / hmg / ddl207. PMID  16987893.
  5. ^ Бур ЭД, Такахаши Дж.С. (2013). «Молекулярные компоненты циркадных часов млекопитающих». Handb Exp Pharmacol. Справочник по экспериментальной фармакологии. 217 (217): 3–27. Дои:10.1007/978-3-642-25950-0_1. ISBN  978-3-642-25949-4. ЧВК  3762864. PMID  23604473.
  6. ^ а б c Хуанг В., Перес-Гарсия П., Похилко А., Миллар А. Дж., Антошечкин И., Рихман Дж. Л., Мас П. (апрель 2012 г.). «Картирование ядра циркадных часов Arabidopsis определяет сетевую структуру осциллятора» (PDF). Наука. 336 (6077): 75–9. Bibcode:2012Наука ... 336 ... 75H. Дои:10.1126 / science.1219075. HDL:10261/47607. PMID  22403178.
  7. ^ Страйер К., Ояма Т., Шульц Т.Ф., Раман Р., Сомерс Д.Е., Мас П., Панда С., Крепс Д.А., Кей С.А. (август 2000 г.). «Клонирование гена TOC1 часов арабидопсиса, гомолога регулятора ауторегуляторной реакции». Наука. 289 (5480): 768–71. Bibcode:2000Sci ... 289..768S. Дои:10.1126 / science.289.5480.768. PMID  10926537.
  8. ^ "Поиск локуса AT5G61380". База данных дублирования генома растений. Университет Джорджии.
  9. ^ а б Гендрон Дж. М., Пруна-Пас Дж. Л., Доэрти С. Дж., Гросс А. М., Канг С. Е., Кей С. А. (февраль 2012 г.). «Белок циркадных часов арабидопсиса, TOC1, является ДНК-связывающим фактором транскрипции». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 109 (8): 3167–72. Bibcode:2012PNAS..109.3167G. Дои:10.1073 / pnas.1200355109. ЧВК  3286946. PMID  22315425.
  10. ^ Похилко А., Фернандес А.П., Эдвардс К.Д., Саузерн М.М., Халлидей К.Дж., Миллар А.Дж. (2012). «Цепь часового гена у Arabidopsis включает репрессилятор с дополнительными петлями обратной связи». Мол. Syst. Биол. 8: 574. Дои:10.1038 / msb.2012.6. ЧВК  3321525. PMID  22395476.
  11. ^ Похилко А, Мас П, Миллар AJ (2013). «Моделирование широко распространенных эффектов передачи сигналов TOC1 на циркадные часы растений и их выходы». BMC Syst Biol. 7: 23. Дои:10.1186/1752-0509-7-23. ЧВК  3614443. PMID  23506153.
  12. ^ Додд А.Н., Салатия Н., Холл А, Кевей Е., Тот Р., Надь Ф., Хибберд Дж. М., Миллар А. Дж., Уэбб А. А. (июль 2005 г.). «Циркадные часы растений увеличивают фотосинтез, рост, выживаемость и конкурентное преимущество». Наука. 309 (5734): 630–3. Bibcode:2005Наука ... 309..630D. Дои:10.1126 / science.1115581. PMID  16040710.

внешняя ссылка