Oscylujący gen
W biologii molekularnej gen oscylacyjny to gen, który ulega ekspresji w rytmicznym wzorze lub w okresowych cyklach. Geny oscylacyjne są zwykle okołodobowe i można je zidentyfikować na podstawie okresowych zmian stanu organizmu. Rytmy okołodobowe , kontrolowane przez oscylujące geny, mają okres około 24 godzin. Na przykład liście roślin otwierające się i zamykające o różnych porach dnia lub harmonogram snu i czuwania zwierząt mogą obejmować rytmy okołodobowe. Możliwe są również inne okresy, np. 29,5 dnia wynikające z rytmów okołoksiężycowych lub 12,4 godziny wynikające z rytmów okołoporodowych. Geny oscylacyjne obejmują zarówno geny składowe zegara rdzenia, jak i geny wyjściowe. Gen składnika zegara rdzenia jest genem niezbędnym dla rozrusznika serca. Jednak wyjściowy gen oscylacyjny, taki jak AVP , jest rytmiczny, ale nie jest niezbędny dla stymulatora.
Historia
Pierwsze odnotowane obserwacje oscylujących genów pochodzą z marszów Aleksandra Wielkiego w IV wieku pne. W tym czasie jeden z generałów Aleksandra, Androsthenes , napisał, że drzewo tamaryndowca otwierało liście w ciągu dnia i zamykało je o zmroku. Do 1729 r. zakładano, że rytmy związane z oscylującymi genami są „pasywnymi reakcjami na cykliczne środowisko”. W 1729 roku Jean-Jacques d'Ortous de Mairan wykazali, że rytm otwierania i zamykania liści rośliny trwa nawet wtedy, gdy znajduje się w miejscu, w którym światło słoneczne nie może do niej dotrzeć. Była to jedna z pierwszych wskazówek, że w oscylacjach był element aktywny. W 1923 roku Ingeborg Beling opublikowała artykuł „Über das Zeitgedächtnis der Bienen” („O pamięci czasu pszczół”), w którym rozszerzyła oscylacje na zwierzęta, w szczególności pszczoły. W 1971 roku Ronald Konopka i Seymour Benzer odkryli, że mutacje OKRESU gen powodował zmiany rytmu dobowego much w stałych warunkach. Postawili hipotezę, że mutacja genu wpływa na podstawowy mechanizm oscylatora. Paul Hardin , Jeffrey Hall i Michael Rosbash wykazali ten związek, odkrywając, że w genie PERIOD istnieje mechanizm sprzężenia zwrotnego, który kontroluje oscylację. W połowie lat 90. nastąpił wysyp odkryć, a CLOCK , CRY i inne zostały dodane do rosnącej listy oscylujących genów.
Molekularne mechanizmy okołodobowe
Podstawowy mechanizm molekularny stojący za oscylującym genem najlepiej opisać jako pętlę sprzężenia zwrotnego transkrypcji/translacji. Ta pętla zawiera zarówno regulatory dodatnie, które zwiększają ekspresję genów, jak i regulatory ujemne, które zmniejszają ekspresję genów. Podstawowe elementy tych pętli można znaleźć w różnych gromadach. Na przykład w zegarze okołodobowym ssaków czynnikami transkrypcyjnymi CLOCK i BMAL1 są pozytywne regulatory. CLOCK i BMAL1 wiążą się z E-boxem oscylujących genów, takich jak Per1, Per2 i Per3 oraz Cry1 i Cry2, i regulować w górę ich transkrypcję. Kiedy PER i CRY tworzą heterokompleks w cytoplazmie i ponownie wchodzą do jądra, hamują własną transkrypcję. Oznacza to, że z biegiem czasu poziomy mRNA i białka PER i CRY lub dowolnego innego genu oscylującego w ramach tego mechanizmu będą oscylować.
Istnieje również wtórna pętla sprzężenia zwrotnego lub „pętla stabilizująca”, która reguluje cykliczną ekspresję Bmal1. Jest to spowodowane przez dwa receptory jądrowe, REV-ERB i ROR, które odpowiednio hamują i aktywują transkrypcję Bmal1.
Oprócz tych pętli sprzężenia zwrotnego, modyfikacje potranslacyjne odgrywają również rolę w zmianie charakterystyki zegara okołodobowego, takiej jak jego okres. Bez jakiegokolwiek tłumienia sprzężenia zwrotnego zegar molekularny miałby okres zaledwie kilku godzin. Stwierdzono, że członkowie kinaz kazeinowych, CK1ε i CK1δ, są ssaczymi kinazami białkowymi zaangażowanymi w regulację okołodobową. Mutacje w tych kinazach są związane z rodzinnym zespołem zaawansowanej fazy snu ( FASPS ). Ogólnie rzecz biorąc, fosforylacja jest niezbędna do degradacji PER przez ligazy ubikwitynowe. Natomiast fosforylacja BMAL1 przez CK2 jest ważna dla akumulacji BMAL1.
Przykłady
Geny przedstawione w tej sekcji to tylko niewielka liczba z ogromnej liczby oscylujących genów występujących na świecie. Geny te wybrano, ponieważ uznano je za jedne z najważniejszych genów regulujących rytm dobowy według ich odpowiedniej klasyfikacji.
Geny ssaków
- Cry1 i Cry2 – Kryptochromy to klasa flawoprotein wrażliwych na światło niebieskie, występujących w roślinach i zwierzętach. Cry1 i Cry2 kodują białka CRY1 i CRY2. U Drosophila CRY1 i CRY2 wiążą się z TIM , genem okołodobowym, który jest składnikiem pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego transkrypcji i translacji, w sposób zależny od światła i blokuje jego funkcję. U ssaków CRY1 i CRY2 są niezależne od światła i hamują dimer CLOCK-BMAL1 zegara dobowego, który reguluje cykl transkrypcji Per1.
- Bmal1 – Bmal1 znany również jako ARNTL lub Arylowy receptor węglowodorowy podobny do translokatora jądrowego, koduje białko, które tworzy heterodimer z białkiem CLOCK. Ten heterodimer wiąże się ze wzmacniaczami E-box znajdującymi się w regionach promotorowych wielu genów, takich jak Cry1 i Cry2 oraz Per1-3, aktywując w ten sposób transkrypcję. Powstałe białka przemieszczają się z powrotem do jądra i działają jako negatywne regulatory poprzez interakcję z CLOCK i/lub BMAL1 hamując transkrypcję.
- Zegar – Zegar, znany również jako Circadian Locomotor Output Cycles Kaput, jest czynnikiem transkrypcyjnym w okołodobowym rozruszniku serca ssaków. Wpływa zarówno na trwałość, jak i okres rytmów okołodobowych poprzez interakcje z genem Bmal1. Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z Bmal1.
- Na geny - Istnieją trzy różne geny na, znane również jako geny okresowe (na 1, na 2 i na 3), które są spokrewnione sekwencyjnie u myszy. Poziomy transkrypcji mPer1 rosną późną nocą przed subiektywnym świtem, po czym następuje wzrost poziomów mPer3, a następnie mPer2. Piki mPer1 przy CT 4-6, mPer3 przy CT 4 i 8 oraz mPer2 przy CT 8. mPer1 jest niezbędny do przesunięć fazowych wywołanych przez światło lub uwalnianie glutaminianu. mPer 2 i mPer3 są zaangażowane w resetowanie zegara okołodobowego do środowiskowych sygnałów świetlnych.
geny Drosophila
- Zegar – gen zegara u Drosophila koduje białko CLOCK i tworzy heterodimer z białkiem CYCLE w celu kontrolowania głównej aktywności oscylacyjnej zegara okołodobowego. Heterodimer wiąże się z regionem promotora E-box zarówno per, jak i tim, co powoduje aktywację ekspresji odpowiednich genów. Gdy poziomy białek zarówno dla PER, jak i TIM osiągną punkt krytyczny, one również dimeryzują i wchodzą w interakcję z heterodimerem CLOCK-CYCLE, aby zapobiec jego wiązaniu się z E-Box i aktywowaniu transkrypcji. Ta pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego jest niezbędna do funkcjonowania i synchronizacji zegara okołodobowego.
- Cycle – gen cyklu koduje białko CYCLE, tworząc heterodimer z białkiem CLOCK. Heterodimer tworzy pętlę sprzężenia zwrotnego transkrypcja-translacja, która kontroluje poziomy zarówno genu PER, jak i TIM. Wykazano, że ta pętla sprzężenia zwrotnego jest niezbędna zarówno dla funkcjonowania, jak i synchronizacji zegara okołodobowego u Drosophila . Aby uzyskać więcej informacji, patrz Zegar.
- Per – gen per jest genem zegarowym, który koduje białko PER u Drosophila . Poziomy białka i szybkości transkrypcji PER wykazują solidne rytmy dobowe, które osiągają szczyt wokół CT 16. Tworzy heterodimer z TIM do kontrolowania rytmu dobowego. Heterodimer wchodzi do jądra w celu zahamowania heterodimeru CLOCK-CYCLE, który działa jako aktywator transkrypcji dla per i tim. Powoduje to hamowanie czynników transkrypcyjnych per i tim, obniżając w ten sposób odpowiednie poziomy mRNA i poziomy białek. Aby uzyskać więcej informacji, patrz Zegar.
- Ponadczasowy – gen tim koduje białko TIM, które ma kluczowe znaczenie w regulacji okołodobowej u Drosophila . Jego poziomy białka i szybkości transkrypcji wykazują oscylację okołodobową, która osiąga szczyt przy około CT 16. TIM wiąże się z białkiem PER, tworząc heterodimer, którego pętla sprzężenia zwrotnego transkrypcja-translacja kontroluje okresowość i fazę rytmów dobowych. Aby uzyskać więcej informacji, patrz Okres i Zegar.
Geny grzybów
- Frq – gen Frq, znany również jako gen częstotliwości, koduje centralne składniki pętli oscylacyjnej w zegarze okołodobowym u Neurospora . W pętli sprzężenia zwrotnego oscylatora frq powoduje powstanie transkryptów kodujących dwie formy białka FRQ. Obie formy są wymagane dla solidnej rytmiki w całym organizmie. Rytmiczne zmiany ilości transkryptu frq są niezbędne dla aktywności synchronicznej, a nagłe zmiany poziomów frq resetują zegar.
Geny bakteryjne
- Geny Kai – znalezione w Synechococcus elongatus , geny te są niezbędnymi składnikami zegara cyjanobakterii, wiodącym przykładem bakteryjnego rytmu okołodobowego . Białka Kai regulują ekspresję genów w całym genomie. Oscylacja fosforylacji i defosforylacji KaiC działa jak rozrusznik zegara okołodobowego.
Geny roślin
- CCA1 – Gen CCA1, znany również jako Circadian and Clock Associated Gene 1, jest genem, który jest szczególnie ważny w utrzymaniu rytmiczności oscylacji komórek roślinnych. Nadekspresja powoduje utratę rytmicznej ekspresji genów sterowanych zegarem (CCG), utratę kontroli fotoperiodu i utratę rytmiczności ekspresji LHY. Zobacz gen LHY poniżej, aby uzyskać więcej informacji.
- LHY – Gen LHY, znany również jako gen późnego wydłużonego hipokotylu , jest genem występującym w roślinach, który koduje składniki wzajemnie regulujących się pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego z CCA1, w których nadekspresja któregokolwiek z nich powoduje tłumienie obu ich ekspresji. Ta pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego wpływa na rytmiczność wielu wyjść, tworząc dzienny kompleks białkowy.
- Gen Toc1 – Toc1, znany również jako gen Timing of CAB Expression 1, jest oscylującym genem występującym w roślinach, o którym wiadomo, że kontroluje ekspresję CAB. Wykazano, że wpływa na okres rytmów okołodobowych poprzez tłumienie czynników transkrypcyjnych. Stwierdzono to poprzez mutacje toc1 w roślinach, które miały skrócony okres ekspresji CAB.