DoubleTime ( DBT ) , также известный как диски заросшего ( DCO ) представляет собой ген , который кодирует двойной раз белки (DBT) в дрозофиле . Белок двойного времени - это киназа, которая фосфорилирует белок PER, который регулирует биологические часы, управляемые молекулами, контролирующие циркадный ритм . [1] млекопитающих гомолог из DoubleTime является казеин - киназы я эпсилон . Различные мутации в dbtБыло показано, что ген вызывает удлинение, укорочение или полную потерю периода двигательной активности у мух. У дрозофилы и некоторых Id казеин киназы позвоночных обнаружены циркадные функции, которые эволюционно сохранялись в течение долгого времени. [2]
удвоение времени | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||
Организм | ||||||
Символ | dbt | |||||
Альт. символы | округ Колумбия | |||||
Entrez | 43673 | |||||
RefSeq (мРНК) | NM_001276203.1 | |||||
RefSeq (Prot) | NP_001263132.1 | |||||
UniProt | O76324 | |||||
Прочие данные | ||||||
Номер ЕС | 2.7.11.1 | |||||
Хромосома | 3R: 26,88 - 26,89 Мб | |||||
|
казеинкиназа 1, эпсилон | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||
Символ | CSNK1E | |||||
Ген NCBI | 1454 | |||||
HGNC | 2453 | |||||
OMIM | 121695 | |||||
RefSeq | NM_001894 | |||||
UniProt | P49674 | |||||
Прочие данные | ||||||
Номер ЕС | 2.7.11.1 | |||||
Locus | Chr. 22 q13.1 | |||||
|
Открытие
Ген двойного времени ( dbt ) был впервые идентифицирован и охарактеризован в 1998 году Майклом Янгом и его командой из Университета Рокфеллера . [3] Исследовательская группа Юнга, во главе с Джеффри Цена , опубликовали свои результаты в работе , которые характеризовали три аллели из DBT у плодовых мушек. [4] Они обнаружили, что два мутантных аллеля, названные коротким и длинным ( dbt s и dbt l , соответственно), способны изменять нормальный цикл per и tim . [3] [4] Команда Янга заподозрила, что задержка между повышением уровней мРНК per and tim и повышением белков PER и TIM была вызвана эффектами другого белка. Янг подозревал, что этот белок откладывает межклеточное накопление белка PER, разрушая его. Только когда PER был соединен с TIM, эта поломка была невозможна. Эта работа показала, что DBT регулирует распад PER. [3] [4]
Янг назвал новый ген двойным временем ( dbt ) из-за его влияния на нормальный период у дрозофилы. Мутантные мухи, которые выражали только dbt s, имели 18-часовой период, в то время как мухи, экспрессирующие dbt l, имели период 28 часов. [4] Кроме того, команда Янга выделила третий аллель, dbt p ', который вызывал летальность у куколки при удалении любых продуктов per или tim у личинок. [4] мутанты dbt p были важны, потому что они давали ключ к пониманию того, как функционирует продукт гена. [3] Без функционального белка DBT у мух накапливается высокий уровень PER, и эти белки PER не распадаются в отсутствие спаривания с белком TIM. Эти мутанты экспрессировали более высокие цитозольные уровни PER, чем клетки, в которых белок PER был связан с белком TIM. Ген двойного времени регулирует экспрессию PER, который, в свою очередь, контролирует циркадный ритм. [3] Группа Янга позже клонировала ген dbt и обнаружила, что белок DBT представляет собой киназу, которая специфически фосфорилирует белки PER. Таким образом, у мутантов dbt белки PER не фосфорилировались белком DBT. [4]
Ген
Ген расположен на правом плече хромосомы 3. [4] Транскрипт мРНК dbt имеет длину 3,2 пар оснований и содержит четыре экзона и три интрона .
Протеин
Белок DBT состоит из 440 аминокислот . [5] Белок имеет сайт связывания АТФ , каталитические домены серин / треоинкиназы и несколько потенциальных сайтов фосфорилирования , включая сайт аутофосфорилирования . [5]
Функция
Регулировка циркадного ритма
У дрозофилы молекулярно-управляемый часовой механизм регулирует циркадные ритмы, такие как двигательная активность и эклозия, путем колебания уровней белков PER и TIM через петли положительной и отрицательной обратной связи . [4] [6] Ген doubletime продуцирует белок DBT, киназу, которая фосфорилирует PER, чтобы регулировать его накопление в цитоплазме и его деградацию в ядре. [6] [7] В цитоплазме уровни PER и TIM повышаются в течение ночи, и DBT связывается с PER, в то время как уровни TIM все еще низкие. [8] DBT фосфорилирует цитоплазматический PER, что приводит к его деградации. Только после того, как TIM накапливается, PER и TIM связываются, и это связывание ингибирует деградацию PER. Эта цитоплазматическая деградация PER, а затем накопление вызывает 4-6-часовую задержку, наблюдаемую между уровнями на мРНК и уровнями белка PER. [8] Комплекс PER / TIM, все еще связанный с DBT, мигрирует в ядро, где он подавляет транскрипцию per and tim. TIM теряется из комплекса, и DBT затем фосфорилирует PER, что приводит к его деградации, обеспечивая транскрипцию часов и генов, контролируемых часами (те, транскрипция которых контролируется циркадными механизмами). [8] [9] Колебания в присутствии белков PER и TIM вызывают колебания в экспрессии их собственных и других генов, что является основой циркадной ритмичности. [6]
Транскрипция мРНК dbt и уровни белка DBT постоянны в течение дня и не контролируются уровнями PER / TIM. Однако расположение и концентрация белка DBT в клетке меняется в течение дня. [5] Он постоянно присутствует в ядре на разных уровнях, но в цитоплазме он преимущественно присутствует в конце дня и в начале ночи, когда уровни PER и TIM достигают пика [5]
Перед тем, как DBT начинает фосфорилировать PER, другой белок, называемый киназой NEMO / NLK, начинает фосфорилировать PER в своем коротком домене. Это фосфорилирование стимулирует DBT, чтобы начать фосфорилирование PER во множестве близлежащих сайтов. Всего на PER имеется около 25-30 сайтов фосфорилирования. [10] Фосфорилированный PER связывается с F-бокс-белком SLIMB, и затем он подвергается деградации посредством пути убиквитин-протеасома. [7] Таким образом, фосфорилирование PER с помощью DBT приводит к снижению содержания PER, что является необходимым шагом в функции внутренних часов организма. [7]
Активности DBT в отношении PER способствует активность белков CKII и SGG, и ему противодействует ритмично экспрессируемая протеинфосфатаза. Возможно, но в настоящее время неизвестно, регулирует ли DBT другие функции PER или других циркадных белков. [6] Нет данных, свидетельствующих о том, что DBT напрямую связывается с TIM. [5] Скорее, единственная известная киназа, которая непосредственно фосфорилирует TIM, - это киназа SHAGGY (SGG), но это не оказывает существенного влияния на стабильность TIM, что позволяет предположить наличие другой киназы или фосфатазы. [11] DBT действительно играет роль в привлечении других киназ в репрессивные комплексы PER. Эти киназы фосфорилируют фактор транскрипции CLK, который высвобождает комплекс CLK- CYC из E-Box и подавляет транскрипцию. [1]
Мутантные аллели
Существует три основных мутантных аллеля dbt : dbt S , который сокращает период автономной работы организма (его внутренний период в условиях постоянного освещения); dbt L , увеличивающий период автономной работы; и DBT Р , который вызывает куколки летальности и устраняет циркадные езды на велосипеде белки и в и тим транскрипции. [4] Все мутанты, за исключением dbt S, производят дифференциальную деградацию PER, которая напрямую соответствует их фенотипическому поведению. Dbt S PER деградация напоминает DBT дикого типа, что предполагает, что dbt S не влияет на часы через этот механизм деградации. Было высказано предположение, что dbt S работает, действуя как репрессор или создавая другой паттерн фосфоилирования субстрата. DBT S вызывает раннее прекращение в транскрипции. [7]
DBT л мутация приводит к тому , период PER и ТИМ колебаний , а также поведенческой активности животных, чтобы удлинить до около 27 часов. Этот расширенный ритм вызван сниженной скоростью фосфорилирования PER из-за более низких уровней активности киназы DBT. Эта мутация вызвана заменой в последовательности белка (мутация Met-80 → Ile). DBT S мутация вызывает период колебаний PER / ТИМ 18-20 часов. В настоящее время нет данных о механизме, на который влияет мутация, но это вызвано заменой в последовательности белка (мутация Pro-47 → Ser). [7]
Другая мутация dbt - это dbt AR , которая вызывает аритмию у дрозофилы. Это гиперморфный аллель, который является результатом мутации His 126 → Tyr. Гомозиготные мухи с этой мутацией жизнеспособны, но аритмичны , тогда как гетерозиготы dbtAR / + имеют сверхдлительные периоды, составляющие около 29 часов, и их активность киназы DBT снижена до самого низкого уровня среди всех аллелей DBT. [7]
Нециркадский
Мутации гена часов, в том числе dbt дрозофилы , изменяют сенсибилизацию локомоторной активности, вызванной лекарствами, после многократного воздействия психостимуляторов . У дрозофилы с мутантными аллелями dbt не удалось проявить локомоторную сенсибилизацию в ответ на многократное воздействие кокаина . [12] Кроме того, есть экспериментальные доказательства того, что этот ген функционирует в 13 уникальных биологических процессах, включая биологическую регуляцию, процесс метаболизма фосфора, установление плоской полярности, положительную регуляцию биологического процесса, клеточный процесс, процесс развития одного организма, реакцию на стимул, реакция на органическое вещество, развитие сенсорных органов, модификация макромолекул, рост, организация клеточных компонентов или биогенез и ритмический процесс. [13] Альтернативное название гена, диски-переростки, относится к его роли в качестве гена, регулирующего рост клеток, который оказывает сильное влияние на выживание клеток и контроль роста в имагинальных дисках , что является признаком стадии личинки мухи. Белок необходим в механизме, связывающем выживание клеток во время пролиферации и остановки роста. [5]
Некаталитический
Белок DBT может играть некаталитическую роль в привлечении киназ, которые фосфорилируют CLOCK ( CLK ), активатор транскрипции. [1] DBT играет некаталитическую роль в привлечении киназ, некоторые из которых еще не обнаружены, в петлю обратной связи транскрипции и трансляции (TTFL). [14] Каталитическая активность DBT не связана с фосфорилированием CLK или его репрессией транскрипции. Фосфорилирование PER с помощью DBT является неотъемлемой частью репрессии CLK-зависимой транскрипции. Белок DBT играет некаталитическую роль в привлечении дополнительных киназ, которые косвенно фосфорилируют CLK, тем самым подавляя транскрипцию. Похожий путь существует у млекопитающих благодаря механистической консервации гомолога CKI. [1] В 2004 году в DBT ы и DBT л мутантов, Drosphila клетки уменьшила CKI-7 активности. [15]
Гомологи млекопитающих
Казеин киназа I
Семейство киназ казеинкиназы 1 (CKI) представляет собой высококонсервативную группу белков, которые обнаруживаются в организмах от Arabidopsis до Drosophila и человека. [16] Поскольку dbt является членом этого семейства, возникли вопросы о роли этих родственных генов в других модельных системах. У млекопитающих существует семь изоформ CKI , каждая из которых выполняет различные роли, связанные с фосфорилированием белков. Было обнаружено, что CKIε наиболее гомологичен dbt со сходством 86%. [16] Наряду с этим генетическим сходством белки оказались функционально гомологичными. Подобно тому, как фосфорилирование с помощью dbt в Drosophila нацелено на белки PER для деградации протеасом, фосфорилирование CKIε снижает стабильность белков PER млекопитающих, маркируя их для деградации. [16] [17] [18] Однако, хотя dbt и CKIε действительно играют сходные роли в своих соответствующих организмах, исследования эффективности CKIε у Drosophila показали, что они не являются полностью функционально взаимозаменяемыми. [19] Тем не менее, функции очень похожи. В частности, было показано, что CKIε снижает период полужизни mPER1, одного из трех гомологов PER млекопитающих. [16] Кроме того, ядерная локализация белков mPER связана с фосфорилированием, что добавляет еще одну важную роль активности белка CKIε. [16] В целом генетическое сходство dbt и CKIε не является концом истории; роли, которые они играют в циркадных часах в своих системах, почти идентичны. Оба участвуют в периодическом фосфорилировании, регулируя колебания циркадных часов.
Роль CKIε
Первоначально роль CKIε в циркадных часах млекопитающих была обнаружена в результате мутации у хомяков. Мутация тау у сирийского золотого хомячка была первой, показавшей наследственную аномалию циркадных ритмов у млекопитающих. [16] Хомяки с мутацией имеют более короткий период, чем у хомяков дикого типа. Гетерозиготы имеют период около 22 часов, в то время как период гомозигот еще короче, около 20 часов. [16] Из-за предыдущих исследований, показывающих роль dbt в периоде установления, мутация тау оказалась в том же локусе, что и ген CKIε. [20] Таким образом, эта мутация относится к мутациям dbt S и dbt L , которые влияют на внутренний период мухи. Однако кажется, что силы, движущие этими изменениями в период, разные. Было обнаружено, что точечная мутация, приводящая к появлению мутанта тау, снижает активность киназы CKIε in vitro . У мух, с другой стороны, мутация dbt L связана со снижением активности dbt и более длительным периодом. Это согласуется с другим экспериментом, проведенным на хомяках, который показал удлинение периода, вызванное ингибированием CKI. [18] Чтобы исследовать это несоответствие, исследователи изучили период полужизни PER2 под влиянием CKIε, CKIεtau дикого типа и CKIε (K38A), который является неактивным киназой мутантом. [18] Результаты показали, что мутация тау на самом деле была мутацией с усилением функции, а не с потерей функции, которая вызвала более быструю деградацию белков PER. Следовательно, мутации тау у хомяков можно рассматривать как аналогичные мутации в dbt, которые изменяют внутренний период.
Важность ритмического фосфорилирования
Роль CKIε также была замечена у людей в связи с семейным синдромом продвинутой фазы сна , при котором у людей периоды намного короче, чем у типичных людей. В этом случае это, по-видимому, не мутация самого белка CKIε, а мутация в сайте связывания для фосфорилирования белка PER2. [16]
Кроме того, было показано, что киназная активность участвует в ядерной локализации PER и других генов, участвующих в циркадной ритмичности. [21] Таким образом, именно это фосфорилирование позволяет PER репрессировать собственную транскрипцию и задерживать циркадную систему. Без фосфорилирования PER с помощью dbt у Drosophila или с помощью CKIε у млекопитающих не было бы колебаний, потому что петля обратной связи была бы нарушена.
Было даже высказано предположение, что это ритмическое фосфорилирование само по себе может быть движущим фактором циркадных часов. До этого момента петля отрицательной обратной связи транскрипции-трансляции считалась источником колебаний и ритмов в биологических часах. Но эксперименты с фосфорилированием цианобактериального белка KaiC in vitro показали, что ритмы сохраняются без какой-либо транскрипции или трансляции. [22] Таким образом, киназы, такие как dbt и CKIε, могут играть даже более важные роли в циркадных часах, чем просто направлять белки для деградации.
Смотрите также
- Период (ген)
- Вневременный (ген)
- Киназа
Рекомендации
- ^ a b c d Yu W, Zheng H, Price JL, Hardin PE (март 2009 г.). «DOUBLETIME играет некаталитическую роль, опосредуя фосфорилирование CLOCK и подавляя зависимую от CLOCK транскрипцию в циркадных часах дрозофилы» . Мол. Клетка. Биол . 29 (6): 1452–8. DOI : 10.1128 / MCB.01777-08 . PMC 2648245 . PMID 19139270 .
- ^ Fan JY, Preuss F, Muskus MJ, Bjes ES, Price JL (январь 2009 г.). «Казеинкиназа Idelta дрозофилы и позвоночных демонстрирует эволюционное сохранение циркадной функции» . Генетика . 181 (1): 139–52. DOI : 10.1534 / genetics.108.094805 . PMC 2621163 . PMID 18957703 .
- ^ а б в г д "Майкл В. Янг" . Ученые и исследования . Университет Рокфеллера.
- ^ Б с д е е г ч I Прайс Дж. Л., Блау Дж., Ротенфлу А., Абодели М., Клосс Б., Янг М. В. (июль 1998 г.). «Двойное время - это новый ген часов Drosophila, который регулирует накопление белка PERIOD». Cell . 94 (1): 83–95. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81224-6 . PMID 9674430 .
- ^ а б в г д е Броди Т. «Диски-заросли: регулирование» . Интерактивная муха.
- ^ а б в г Маскус MJ, Preuss F, Fan JY, Bjes ES, Price JL (декабрь 2007 г.). «DBT дрозофилы, лишенный активности протеинкиназы, вызывает длительные и аритмичные циркадные поведенческие и молекулярные ритмы» . Мол. Клетка. Биол . 27 (23): 8049–64. DOI : 10.1128 / MCB.00680-07 . PMC 2169192 . PMID 17893330 .
- ^ а б в г д е Сайед С., Саез Л., Янг М.В. (август 2011 г.). «Кинетика двойного времени киназозависимой деградации белка периода Drosophila» . J. Biol. Chem . 286 (31): 27654–62. DOI : 10.1074 / jbc.M111.243618 . PMC 3149356 . PMID 21659538 .
- ^ а б в Клосс Б., Ротенфлу А., Янг М. В., Саез Л. (июнь 2001 г.). «На фосфорилирование периода влияют циклические физические ассоциации двойного времени, периода и вневременности в часах дрозофилы» (PDF) . Нейрон . 30 (3): 699–706. DOI : 10.1016 / s0896-6273 (01) 00320-8 . PMID 11430804 . Архивировано из оригинального (PDF) 12 мая 2014 года.
- ^ Гуд Дж, Чедвик Д. (2003). Молекулярные часы и световая сигнализация . Нью-Йорк: Вили. стр. 269 -270. ISBN 978-0-470-09082-4.
- ^ Чиу Дж.С., Ко Х.В., Эдери И. (апрель 2011 г.). «NEMO / NLK фосфорилирует PERIOD, чтобы инициировать цепь фосфорилирования с задержкой по времени, которая устанавливает циркадную тактовую частоту» . Cell . 145 (3): 357–70. DOI : 10.1016 / j.cell.2011.04.002 . PMC 3092788 . PMID 21514639 .
- ^ Фанг Й, Сатьянараянан С., Сегал А. (июнь 2007 г.). «Посттрансляционная регуляция циркадных часов дрозофилы требует протеинфосфатазы 1 (PP1)» . Genes Dev . 21 (12): 1506–18. DOI : 10,1101 / gad.1541607 . PMC 1891428 . PMID 17575052 .
- ^ Розенвассер AM (июль 2010 г.). «Гены циркадных часов: не циркадные роли во сне, зависимости и психических расстройствах?». Neurosci Biobehav Rev . 34 (8): 1249–55. DOI : 10.1016 / j.neubiorev.2010.03.004 . PMID 20307570 .
- ^ "Джин Дмель \ dco" . FlyBase.
- ^ Цинь X, Бирн М., Сюй Y, Мори Т., Джонсон СН (2010). «Соединение основного посттрансляционного кардиостимулятора с подчиненной петлей обратной связи транскрипции / трансляции в циркадной системе» . PLoS Biol . 8 (6): e1000394. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1000394 . PMC 2885980 . PMID 20563306 .
- ^ Пройс Ф., Фан Дж. Ю., Калив М., Бао С., Шуенеманн Э., Бьес Э. С., Прайс Дж. Л. (январь 2004 г.) «Двойные мутации дрозофилы, которые либо укорачивают, либо удлиняют период циркадных ритмов, снижают активность протеинкиназы казеинкиназы I» . Мол. Клетка. Биол . 24 (2): 886–98. DOI : 10.1128 / MCB.24.2.886-898.2004 . PMC 343813 . PMID 14701759 .
- ^ Б с д е е г ч Эйде Э.Дж., Виршуп Д.М. (май 2001 г.). «Казеин киназа I: еще один винтик в циркадном часовом механизме». Хронобиол. Int . 18 (3): 389–98. DOI : 10.1081 / CBI-100103963 . PMID 11475410 .
- ^ Ванселов К., Крамер А. (2007). «Роль фосфорилирования в циркадных часах млекопитающих» . Харб Холодного источника. Symp. Quant. Биол . 72 : 167–76. DOI : 10.1101 / sqb.2007.72.036 . PMID 18419274 .
- ^ а б в Виршуп Д.М., Эйде Э.Д., Форгер Д.Б., Гальего М., Харниш Э.В. (2007). «Обратимое фосфорилирование белков регулирует циркадные ритмы» . Харб Холодного источника. Symp. Quant. Биол . 72 : 413–20. DOI : 10.1101 / sqb.2007.72.048 . PMID 18419299 .
- ^ Секин Т., Ямагути Т., Хамано К., Янг М.В., Симода М., Саез Л. (февраль 2008 г.). «Казеинкиназа I epsilon не спасает функцию двойного времени у Drosophila, несмотря на эволюционно сохраненные роли в циркадных часах». J. Biol. Ритмы . 23 (1): 3–15. DOI : 10.1177 / 0748730407311652 . PMID 18258753 .
- ^ Lowrey PL, Shimomura K, Antoch MP, Yamazaki S, Zemenides PD, Ralph MR, Menaker M, Takahashi JS (апрель 2000 г.). «Позиционное синтеническое клонирование и функциональная характеристика тау-циркадной мутации млекопитающих» . Наука . 288 (5465): 483–92. Bibcode : 2000Sci ... 288..483L . DOI : 10.1126 / science.288.5465.483 . PMC 3869379 . PMID 10775102 .
- ^ Наватеан П., Столеру Д., Росбаш М. (июль 2007 г.). «Небольшой консервативный домен Drosophila PERIOD важен для циркадного фосфорилирования, ядерной локализации и активности репрессора транскрипции» . Мол. Клетка. Биол . 27 (13): 5002–13. DOI : 10.1128 / MCB.02338-06 . PMC 1951469 . PMID 17452453 .
- ^ Накадзима М., Имаи К., Ито Х, Нишиваки Т., Мураяма Й., Ивасаки Х., Ояма Т., Кондо Т. (апрель 2005 г.). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования KaiC цианобактерий in vitro». Наука . 308 (5720): 414–5. Bibcode : 2005Sci ... 308..414N . DOI : 10.1126 / science.1108451 . PMID 15831759 .
Внешние ссылки
- Броды ТБ. «Гена: диски заросли» . Интерактивная муха, дрозофила . Общество биологии развития.