Podwójny czas (gen)

podwójne
identyfikatory
Organizm D. melanogaster
Symbol db
Alt. symbolika dko
Entrez 43673
RefSeq (mRNA) NM_001276203.1
RefSeq (Prot) NP_001263132.1
UniProt O76324
Inne dane
numer WE 2.7.11.1
Chromosom 3R: 26,88 - 26,89 MB
Szukaj
Struktury Model szwajcarski
Domeny InterPro
kinaza kazeinowa 1,
identyfikatory epsilon
Symbol CSNK1E
gen NCBI 1454
HGNC 2453
OMIM 121695
RefSeq NM_001894
UniProt P49674
Inne dane
numer WE 2.7.11.1
Umiejscowienie Chr. 22 q13.1
Szukaj
Struktury Model szwajcarski
Domeny InterPro

Podwójny czas ( dbt ), znany również jako zarośnięte krążki ( dco ), to gen kodujący białko podwójnego czasu (DBT) u Drosophila melanogaster . Białko podwójnego czasu jest kinazą , która fosforyluje białko PER , które reguluje napędzany molekularnie zegar biologiczny kontrolujący rytm dobowy . Ssaczym homologiem podwójnego czasu jest kinaza kazeinowa I epsilon . Wykazano, że różne mutacje w genie dbt powodują wydłużenie, skrócenie lub całkowitą utratę okresu aktywności lokomotorycznej u muszek. Drosophila i kinaza kazeinowa niektórych kręgowców Id wykazują funkcję okołodobową, która została zachowana ewolucyjnie przez długi czas.

Odkrycie

Gen podwójnego czasu ( dbt ) został po raz pierwszy zidentyfikowany i scharakteryzowany w 1998 roku przez Michaela Younga i jego zespół z The Rockefeller University . Grupa badawcza Younga, kierowana przez Jeffreya Price'a , opublikowała swoje wyniki w artykule, w którym scharakteryzowała trzy allele dbt u muszek owocówek. Odkryli dwa zmutowane allele, nazwane krótkimi i długimi ( dbt s i dbt l ), które były w stanie zmienić normalne cykle per i tim . Zespół Younga podejrzewał, że opóźnienie między wzrostem poziomów mRNA per i tim a wzrostem białek PER i TIM było spowodowane działaniem innego białka. Young podejrzewał, że białko to opóźnia międzykomórkową akumulację białka PER poprzez jego zniszczenie. Tylko wtedy, gdy PER był sparowany z TIM, ten podział był niemożliwy. Ta praca wykazała, że ​​DBT reguluje rozkład PER.

Young nazwał nowy gen podwójnym czasem ( dbt ) ze względu na jego wpływ na normalny okres Drosophila. Zmutowane muchy, które wyrażały tylko dbt s, miały okres 18 godzin, podczas gdy te, które wyrażały dbt 1, miały okres 28 godzin. Ponadto zespół Younga wyizolował trzeci allel, dbt p ', który powodował śmiertelność poczwarek, jednocześnie usuwając wszelkie produkty per lub tim u larw. Mutanty dbt p były ważne, ponieważ dostarczały wskazówek co do sposobu funkcjonowania produktu genu. Bez funkcjonalnego białka DBT muchy gromadziły wysoki poziom PER, a te białka PER nie rozpadają się pod nieobecność parowania z białkiem TIM. Mutanty te wyrażały wyższe cytozolowe poziomy PER niż komórki, w których białko PER było związane z białkiem TIM. Gen podwójnego czasu reguluje ekspresję PER, która z kolei kontroluje rytm okołodobowy. Zespół Younga sklonował później gen dbt i odkrył, że białko DBT było kinazą , która specyficznie fosforylowała białka PER. Zatem w mutantach dbt białka PER nie były fosforylowane przez białko DBT.

Gen

Gen znajduje się na prawym ramieniu chromosomu 3. Transkrypt mRNA dbt ma długość 3,2 kilopar zasad i zawiera cztery eksony i trzy introny .

Białko

Białko DBT składa się z 440 aminokwasów . Białko ma miejsce wiązania ATP , domeny katalityczne kinazy serynowo-treoinowej i kilka potencjalnych miejsc fosforylacji , w tym miejsce autofosforylacji .

Funkcjonować

Regulacja rytmu okołodobowego

U Drosophila mechanizm zegara napędzany molekularnie reguluje rytmy okołodobowe, takie jak aktywność lokomotoryczna i eklozja , poprzez oscylację poziomów białek PER i TIM poprzez dodatnie i ujemne pętle sprzężenia zwrotnego . Gen podwójnego czasu wytwarza białko DBT, kinazę , która fosforyluje PER, aby regulować jego gromadzenie się w cytoplazmie i jego degradację w jądrze. W cytoplazmie poziomy PER i TIM rosną w nocy, a DBT wiąże się z PER, podczas gdy poziomy TIM są nadal niskie. DBT fosforyluje cytoplazmatyczny PER, co prowadzi do jego degradacji. Dopiero po nagromadzeniu TIM wiążą się PER i TIM, a to wiązanie hamuje degradację PER. Ta cytoplazmatyczna degradacja PER, a następnie akumulacja powoduje obserwowane 4-6 godzinne opóźnienie między poziomami per mRNA a poziomami białka PER. Kompleks PER/TIM, wciąż związany z DBT, migruje do jądra, gdzie hamuje transkrypcję per i tim. TIM jest tracony z kompleksu, a następnie DBT fosforyluje PER, co prowadzi do jego degradacji, umożliwiając transkrypcję zegara i genów kontrolowanych przez zegar (tych z transkrypcją kontrolowaną przez mechanizmy okołodobowe). Wahania obecności białek PER i TIM powodują oscylacje w ekspresji ich własnych i innych genów, co jest podstawą rytmiki okołodobowej.

Transkrypcja mRNA dbt i poziomy białka DBT są stałe przez cały dzień i nie są kontrolowane przez poziomy PER/TIM. Jednak lokalizacja i stężenie białka DBT w komórce zmienia się w ciągu dnia. Jest konsekwentnie obecny w jądrze na różnych poziomach, ale w cytoplazmie jest obecny głównie późnym dniem i wczesną nocą, kiedy poziomy PER i TIM osiągają szczyt

Zanim DBT zacznie fosforylować PER, inne białko zwane kinazą NEMO/NLK zaczyna fosforylować PER w swojej domenie per-short. Ta fosforylacja stymuluje DBT do rozpoczęcia fosforylacji PER w wielu pobliskich miejscach. W sumie na PER znajduje się około 25-30 miejsc fosforylacji. Fosforylowany PER wiąże się z białkiem F-box SLIMB, a następnie jest kierowany do degradacji na szlaku ubikwityna-proteasom. Dlatego fosforylacja PER przez DBT prowadzi do zmniejszenia obfitości PER, co jest niezbędnym krokiem w funkcjonowaniu wewnętrznego zegara organizmu.

Aktywność DBT na PER jest wspomagana przez aktywność białek CKII i SGG, a jest antagonizowana przez rytmicznie eksprymowaną fosfatazę białkową. Jest możliwe, ale obecnie nieznane, czy DBT reguluje inne funkcje PER lub innych białek okołodobowych. Nie ma dowodów sugerujących, że DBT wiąże się bezpośrednio z TIM. Raczej jedyną kinazą, o której wiadomo, że bezpośrednio fosforyluje TIM, jest białko kinazy SHAGGY (SGG), ale nie wpływa to znacząco na stabilność TIM, co sugeruje obecność innej kinazy lub fosfatazy. DBT odgrywa rolę w rekrutacji innych kinaz do kompleksów represyjnych PER. Kinazy te fosforylują czynnik transkrypcyjny CLK, który uwalnia kompleks CLK- CYC z E-Box i hamuje transkrypcję.

Zmutowane allele

Istnieją trzy podstawowe zmutowane allele dbt : dbt S , co skraca okres swobodnego biegu organizmu (jego okres wewnętrzny w stałych warunkach świetlnych); dbt L , co wydłuża okres swobodnego przepływu; i dbt P , który powoduje śmiertelność poczwarek i eliminuje białka cyklu okołodobowego oraz transkrypcję per i tim . Wszystkie mutanty z wyjątkiem dbt S powodują zróżnicowaną degradację PER, która bezpośrednio odpowiada ich zachowaniu fenotypowemu. Degradacja Dbt S PER przypomina DBT typu dzikiego, co sugeruje, że dbt S nie wpływa na zegar poprzez ten mechanizm degradacji. Sugerowano, że dbt S działa działając jako represor lub wytwarzając inny wzór fosforylacji substratu. Dbt S powoduje wczesne zakończenie transkrypcji .

Mutacja dbt L powoduje wydłużenie okresu oscylacji PER i TIM oraz aktywności behawioralnej zwierząt do około 27 godzin. Ten wydłużony rytm jest spowodowany zmniejszoną szybkością fosforylacji PER z powodu niższych poziomów aktywności kinazy DBT. Mutacja ta spowodowana jest substytucją w sekwencji białka (mutacja Met-80→Ile). Mutacja dbt S powoduje okres oscylacji PER/TIM wynoszący 18–20 godzin. Nie ma aktualnych dowodów na mechanizm wpływu mutacji, ale jest on spowodowany substytucją w sekwencji białka (mutacja Pro-47 → Ser).

Inną mutacją dbt jest dbt AR , która powoduje arytmię u Drosophila. Jest to hipermorficzny allel będący wynikiem mutacji His 126→Tyr. Homozygotyczne muchy z tą mutacją są zdolne do życia, ale mają arytmię, podczas gdy dbtAR/+ mają wyjątkowo długie okresy około 29 godzin, a ich aktywność kinazy DBT jest obniżona do najniższego wskaźnika ze wszystkich alleli DBT.

nie dobowy

dbt Drosophila , zmieniają uczulenie wywołanej lekami aktywności lokomotorycznej po wielokrotnym narażeniu na psychostymulanty . Drosophila ze zmutowanymi allelami dbt nie wykazywała uczulenia narządu ruchu w odpowiedzi na wielokrotną ekspozycję na kokainę . Ponadto istnieją dowody eksperymentalne na to, że ten gen działa w 13 unikalnych procesach biologicznych, w tym regulacji biologicznej, procesie metabolizmu fosforu, ustanowieniu polaryzacji planarnej, pozytywnej regulacji procesu biologicznego, procesie komórkowym, procesie rozwoju pojedynczego organizmu, odpowiedzi na bodziec, odpowiedzi na substancję organiczną, rozwój narządów zmysłów, modyfikację makrocząsteczek, wzrost, organizację składników komórkowych lub biogenezę oraz proces rytmiczny. Alternatywna nazwa genu, przerośnięte dyski, odnosi się do jego roli jako genu regulującego wzrost komórek, który ma silny wpływ na przeżycie komórek i kontrolę wzrostu w imaginalnych dyskach , atrybut stadium much larw . Białko jest niezbędne w mechanizmie łączącym przeżycie komórki podczas proliferacji i zatrzymania wzrostu.

Niekatalityczny

Białko DBT może odgrywać niekatalityczną rolę w przyciąganiu kinaz fosforylujących CLOCK ( CLK ), aktywator transkrypcji. DBT pełni niekatalityczną rolę w rekrutacji kinaz, z których niektóre nie zostały jeszcze odkryte, do pętli sprzężenia zwrotnego translacji transkrypcji (TTFL). Aktywność katalityczna DBT nie jest związana z fosforylacją CLK ani jej represją transkrypcyjną. Fosforylacja PER przez DBT jest integralną częścią tłumienia transkrypcji zależnej od CLK. Białko DBT odgrywa niekatalityczną rolę w rekrutacji dodatkowych kinaz, które pośrednio fosforylują CLK, zmniejszając w ten sposób transkrypcję. Podobny szlak istnieje u ssaków ze względu na mechanistyczną konserwację homologu CKI. W 2004 r. W mutantach dbt s i dbt l komórki Drosophila miały zmniejszoną aktywność CKI-7 .

homologi ssaków

Kinaza kazeinowa I

Rodzina kinaz kazeinowych 1 (CKI) jest wysoce konserwatywną grupą białek, które występują w organizmach od Arabidopsis , przez Drosophila, aż po ludzi. Ponieważ dbt jest członkiem tej rodziny, pojawiły się pytania o rolę tych powiązanych genów w innych systemach modelowych. U ssaków istnieje siedem izoform CKI , z których wszystkie pełnią różne role związane z fosforylacją białek. Stwierdzono, że CKIε jest najbardziej homologiczny do dbt, z podobieństwem 86%. Wraz z tym podobieństwem genetycznym stwierdzono, że białka są funkcjonalnie homologiczne. Tak jak fosforylacja przez dbt u Drosophila celuje w białka PER w celu degradacji proteasomu, fosforylacja CKIε zmniejsza stabilność białek PER ssaków, znakując je do degradacji. Jednakże, chociaż dbt i CKIε odgrywają podobne role w swoich organizmach, badania dotyczące skuteczności CKIε u Drosophila wykazały, że nie są one całkowicie funkcjonalnie wymienne. Niemniej jednak funkcje są bardzo podobne. W szczególności wykazano, że CKIε skraca okres półtrwania mPER1, jednego z trzech homologów PER ssaków. Ponadto lokalizacja jądrowa białek mPER jest związana z fosforylacją, dodając kolejną istotną rolę do aktywności białka CKIε. Ogólnie rzecz biorąc, genetyczne podobieństwo dbt i CKIε to nie koniec historii; role, które odgrywają w zegarze okołodobowym w swoich systemach, są prawie identyczne. Oba biorą udział w okresowej fosforylacji, regulując oscylacje zegarów okołodobowych.

Rola CKIε

Początkowo rola CKIε w zegarze okołodobowym ssaków została odkryta w wyniku mutacji u chomików. Mutacja tau u chomika syryjskiego jako pierwsza wykazała dziedziczne zaburzenie rytmu okołodobowego u ssaków. Chomiki z mutacją wykazują krótszy okres niż chomiki typu dzikiego. Heterozygoty mają okres około 22 godzin, podczas gdy okres homozygot jest jeszcze krótszy i wynosi około 20 godzin. Ze względu na wcześniejsze badania wskazujące na rolę dbt w powstawaniu okresu, stwierdzono, że mutacja tau znajduje się w tym samym locus co gen CKIε. Zatem ta mutacja dotyczy mutacji dbt S i dbt L , które obie wpływają na wewnętrzny okres muchy. Wydaje się jednak, że siły napędzające te zmiany w okresie są inne. Stwierdzono, że mutacja punktowa, w wyniku której powstał mutant tau, obniżyła aktywność kinazy CKIε in vitro . Z kolei u much dbt L wiąże się ze spadkiem aktywności dbt i dłuższym okresem. Jest to zgodne z innym eksperymentem przeprowadzonym na chomikach, który wykazał wydłużenie okresu spowodowanego hamowaniem CKI. Aby zbadać tę rozbieżność, naukowcy zbadali okres półtrwania PER2 pod wpływem CKIε typu dzikiego, CKIεtau i CKIε (K38A), który jest mutantem nieaktywnym wobec kinazy. Wyniki wskazują, że mutacja tau była w rzeczywistości mutacją polegającą na wzmocnieniu funkcji, a nie utracie funkcji, co spowodowało szybszą degradację białek PER. Dlatego mutację tau u chomików można postrzegać jako podobną do mutacji dbt, które zmieniają okres wewnętrzny.

Znaczenie rytmicznej fosforylacji

Rola CKIε została również zaobserwowana u ludzi związanych z rodzinnym zespołem zaawansowanej fazy snu , w którym osoby mają znacznie krótszy okres niż typowy człowiek. W tym przypadku wydaje się, że nie jest to mutacja samego białka CKIε, ale miejsce wiązania fosforylacji białka PER2.

Ponadto wykazano, że aktywność kinazy bierze udział w jądrowej lokalizacji PER i innych genów zaangażowanych w rytmikę okołodobową. Dlatego właśnie ta fosforylacja pozwala PER na represję własnej transkrypcji i opóźnienie w systemie okołodobowym. Bez fosforylacji PER, przez dbt u Drosophila lub przez CKIε u ssaków, nie byłoby oscylacji, ponieważ pętla sprzężenia zwrotnego zostałaby przerwana.

Zaproponowano nawet, że sama rytmiczna fosforylacja może być czynnikiem napędzającym zegary okołodobowe. Do tej pory pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego transkrypcja-translacja była identyfikowana jako źródło oscylacji i rytmów w zegarach biologicznych. Ale eksperymenty z fosforylacją białka cyjanobakterii KaiC in vitro wykazały, że rytmy utrzymywały się bez obecności jakiejkolwiek transkrypcji lub translacji. Dlatego kinazy, takie jak dbt i CKIε, mogą odgrywać jeszcze ważniejsze role w zegarach okołodobowych niż tylko kierowanie białek do degradacji.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Doubletime_(gene)&oldid=1092897673 ”