Paul Hardin (chronobiolog)

dr Paul Hardin
Urodzić się	( 14.09.1960 ) 14 września 1960 Hazel Crest , Illinois
Narodowość	amerykański
Alma Mater	Southern Methodist University Indiana University Brandeis University
Nagrody	Nagroda Aschoffa-Honmy
Kariera naukowa
Pola	Genetyka Chronobiologia
Instytucje	Texas A&M University University of Houston
Doradca doktorski	Williama H. ​​Kleina
Inni doradcy akademiccy	Michał Rosbasz

Paul Hardin (urodzony 14 września 1960) jest wybitnym naukowcem w dziedzinie chronobiologii i pionierem w zrozumieniu zegarów okołodobowych u much i ssaków. Hardin jest obecnie wybitnym profesorem na wydziale biologii na Texas A&M University . Najbardziej znany jest z odkrycia oscylacji okołodobowych w mRNA genu zegara Okres ( per ), znaczenie E-Box w per aktywacja, sprzężone pętle sprzężenia zwrotnego, które kontrolują rytmy w transkrypcji genu aktywatora oraz okołodobowa regulacja węchu u Drosophila melanogaster . Urodzony na przedmieściach Chicago , Matteson , Illinois , Hardin obecnie mieszka w College Station w Teksasie , wraz z żoną i trójką dzieci.

Kariera akademicka

Hardin uzyskał tytuł licencjata z biologii na Southern Methodist University (SMU) w 1982 r. Następnie kontynuował doktorat z genetyki na Uniwersytecie Indiana w 1987 r. U Williama H. ​​Kleina. Następnie prowadził badania podoktoranckie na Brandeis University pod kierunkiem chronobiologa Michaela Rosbasha . Od 1991 do 1995 Hardin pracował jako profesor na Texas A&M University , a od 1995 do 2005 na University of Houston . Od 2005 roku Hardin pracuje jako profesor i pracownik naukowy na wydziale biologii na Texas A&M University. Prowadzi kursy z biologii wprowadzającej, biologii komórki molekularnej oraz zajęcia dla absolwentów z zegarów biologicznych. Pełni również funkcję dyrektora Texas A&M's Center for Biological Clocks Research oraz wydziału Texas A&M Institute for Neuroscience i programu doktoranckiego w dziedzinie genetyki. Ponadto Hardin był również aktywnie zaangażowany w Towarzystwo Badań nad Rytmami Biologicznymi ; pełnił funkcję sekretarza w 2006 r., skarbnika w 2010 r., a prezesa w 2016 r.

Badania

Odkrycie cyklu per mRNA

W 1971 r. Ron Konopka , genetyk z Kalifornijskiego Instytutu Technologii , odkrył gen Okresu, który, jak stwierdził, jest zaangażowany w zegar okołodobowy Drosophila . W 1999 roku Paul Hardin odkrył, że per mRNA podlega silnym oscylacjom okołodobowym poprzez wystawienie wyizolowanego mRNA typu dzikiego na serię cykli światło-ciemność (LD), po których następują cykle stałej ciemności (DD). Jako doktor habilitowany w laboratorium chronobiologa, dr Michaela Rosbasha , Hardin wyraźnie zauważył, że na poziomy mRNA w Drosophila zmieniają się około 10-krotnie w typowym 24-godzinnym cyklu światło-ciemność. Hardin wykazał ponadto, że białko typu dzikiego, PER, może uratować rytmiczność w mRNA arytmicznego mutanta genu per . Jego odkrycia sugerują, że sprzężenie zwrotne białka PER reguluje poziomy per mRNA. Hardin ostatecznie opublikował swoją przełomową pracę na temat rytmicznej natury per mRNA u Drosophila w czasopiśmie Nature . To odkrycie skłoniło Hardina i innych wybitnych przedstawicieli chronobiologii do opracowania modelu opisującego mechanizm zegara u Drosophila . Ten model jest określany jako pętla sprzężenia zwrotnego transkrypcji, co sugeruje, że białko po translacji zapewnia ujemne sprzężenie zwrotne na temat transkrypcji samego mRNA.

Rola skrzynki elektronicznej w aktywacji

W 1997 roku Hardin wraz z Haiping Hao i Davidem Allenem przeanalizowali sekwencję genu per u Drosophila i znaleźli wzmacniacz o 69 pz powyżej genu. Ta sekwencja wzmacniająca zawierała E-box (CACGTG), który określono jako niezbędny do transkrypcji na wysokim poziomie . Ponieważ E-boxy są zwykle wiązane przez białka zawierające białkowy motyw strukturalny helisa-pętla-helisa (bHLH) , obecność E-box w per doprowadziło do hipotezy, że białka biorące udział w rytmach okołodobowych mogą zawierać domenę bHLH. Okazało się to kluczowe dla ustalenia funkcji wcześniej odkrytego CLOCK , o którym wiadomo, że odgrywa rolę w rytmach okołodobowych i zawiera również domenę bHLH. Odkrycie to pomogło również w identyfikacji BMAL1 i CYCLE jako kluczowych graczy w rytmach okołodobowych odpowiednio ssaków i Drosophila .

Rytmy okołodobowe w węchu

Podczas wykładów na Uniwersytecie w Houston Hardin wraz z innymi naukowcami Balaji Krishnanem i Stuartem Dryerem badali rytmy okołodobowe węchu u Drosophila . Wcześniejsze eksperymenty wykazały, że anteny Drosophila wykazują rytmy okołodobowe. Jednak mechanizm rytmów okołodobowych w antenach był nieznany. Aby określić mechanizm rytmów w czułkach, Hardin i jego zespół hodowali muchy typu dzikiego i zmutowane, per ⁰¹ i tim ⁰¹ , w cyklach 12:12 światło-ciemność (LD) i zmierzono węch w czułkach za pomocą elektroantenogramu ( EAG), który mierzy średnią moc wyjściową anteny owada do mózgu dla danego zapachu w okresie 24 godzin. Tylko muchy typu dzikiego wykazywały rytmiczność w aktywności elektrycznej, co wskazywało na obecność rytmów okołodobowych w odpowiedzi węchowej. W przeciwieństwie do tego mutanty nie wykazywały aktywności cyklicznej. Dlatego zespół Hardina odkrył, że rytmy okołodobowe kontrolują reakcję węchową Drosophila , a jego wyniki zostały ostatecznie opublikowane w Nature .

Odkrycie dwóch powiązanych ze sobą pętli sprzężenia zwrotnego w zegarze okołodobowym

W 1999 roku Hardin wraz z Nickiem Glossopem i Lisą Lyons przeprowadzili badania nad specyficzną rolą Clk w sprzężonych pętlach sprzężenia zwrotnego obecnych w oscylatorach okołodobowych Drosophila . Wcześniej wiadomo było, że pięć genów ( per , tim , dbt , Clk i cyc ) kontroluje rytmy okołodobowe u Drosophila . W tym czasie znany był mechanizm regulacji czasu, chociaż regulacja Clk nie była jeszcze znana .

Hardin i jego zespół przeprowadzili serię eksperymentów, aby zidentyfikować dwie powiązane ze sobą pętle sprzężenia zwrotnego w mechanizmie okołodobowym Drosophila . Oznacza to, że per - tim łączy się z pętlą sprzężenia zwrotnego Clk - cyc , tak że jedna pętla ma wpływ na drugą i odwrotnie. Zmierzyli poziomy mRNA Clk typu dzikiego i zmutowanego, aby zidentyfikować wszelkie zmiany w poziomach transkrypcji. Zaobserwowali, że kompleks PER-TIM hamuje transkrypcję. Postawili hipotezę, że Clk represorem był albo sam kompleks CLK-CYC, albo represor aktywowany przez CLK-CYC. Zaobserwowali, że obecność aktywnych CLK i CYC skutkowała represją Clk , podczas gdy mutanty arytmiczne wykazywały niski poziom Clk . Dowody te skłoniły ich do zaproponowania następującego modelu dotyczącego dwóch powiązanych ze sobą pętli sprzężenia zwrotnego:

1. Późno w nocy dimery PER-TIM w jądrze wiążą się i sekwestrują dimery CLK-CYC. Ta interakcja skutecznie hamuje funkcję CLK-CYC, co prowadzi do represji per i tim oraz derepresji transkrypcji Clk .
2. Gdy poziomy PER-TIM spadają wcześnie rano, dimery CLK-CYC są uwalniane i hamują ekspresję Clk , zmniejszając w ten sposób poziomy mRNA Clk do końca dnia.
3. Równolegle ze spadkiem poziomów mRNA Clk (poprzez represję zależną od CLK-CYC) następuje akumulacja mRNA per i tim (poprzez aktywację CLK-CYC zależną od E-box).
4. Poziomy CLK-CYC spadają wczesnym wieczorem, co prowadzi do zmniejszenia transkrypcji per i tim oraz wzrostu transkrypcji mRNA Clk .
5. Następnie rozpoczyna się nowy cykl, gdy wysokie poziomy PER i TIM wchodzą do jądra, a CLK zaczyna się gromadzić późno w nocy.

W 2003 roku zespół Hardina odkrył drugą pętlę sprzężenia zwrotnego związaną z zegarem okołodobowym. vrille (vri) i białko domeny Par 1 ( Pdp1 ) kodują powiązane czynniki transkrypcyjne, których ekspresja jest bezpośrednio aktywowana przez dCLOCK/CYCLE. Pokazują, że białka VRI i PDP1 sprzężą zwrotnie i bezpośrednio regulują ekspresję dClock . Tak więc VRI i PDP1 wraz z samym dClock tworzą drugą pętlę sprzężenia zwrotnego w zegarze Drosophila , która zapewnia rytmiczną ekspresję dClock i prawdopodobnie innych genów, aby wygenerować dokładne rytmy okołodobowe.

Podsumowanie głównych wkładów badawczych

• 1990: Białko PER reguluje rytmiczne cykle na mRNA Drosophila .
• 1992: Regulacja białka per mRNA zachodzi na poziomie transkrypcji.
• zachowują się różnie w różnych tkankach ciała, takich jak głowa , klatka piersiowa i brzuch Drosophila .
• 1997: Skrzynki elektroniczne, aw szczególności domeny bHLH, są niezbędne do aktywacji .
• 1997: Sekwencja genu o długości 69 par zasad przyczynia się do rytmów okołodobowych w ekspresji genów .
• 1999: Dwie sprzężone pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego, pętla PER-TIM i pętla CLK-CYC, regulują oscylator okołodobowy u Drosophila .
• 1999: Reakcja węchowa u Drosophila jest rytmiczna.
• 2000: Domena PAR jest wynikiem rytmów okołodobowych u Drosophila .
• 2001: Okołodobowy fotoreceptor kryptochrom ( kryptochrom ) odgrywa niezależną od światła rolę w oscylacjach okołodobowych w pewnych okolicznościach.

Obecne badania

Obecne badania Hardina koncentrują się na funkcji zegara okołodobowego u Drosophila melanogaster . Jednym z głównych tematów badawczych Hardina jest zrozumienie mechanizmu stojącego za rytmami okołodobowymi w fizjologii węchu i smaku . Jego badania koncentrują się również na zrozumieniu roli potranslacyjnych mechanizmów regulacyjnych w pętli sprzężenia zwrotnego wyznaczającej 24-godzinny rytm. Wreszcie, jego laboratorium pracowało nad określeniem, czy sprzężone pętle w mechanizmie sprzężenia zwrotnego działają jako oscylator okołodobowy, czy wyjście zegara. Jego najnowszy artykuł omawia zachowanie pętli sprzężenia zwrotnego transkrypcji w nie tylko Drosophila, ale także u innych gatunków zwierząt.

Honory i nagrody

• John W. Lyons Jr. '59 Obdarzony katedrą biologii (2005)
• John i Rebecca Moores profesorowie na Uniwersytecie w Houston (2004)
• Nagroda Aschoffa Honmy (2003)