Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено из Gene Осцилляции )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В молекулярной биологии , ген колебательный представляет собой ген , который выражается в ритмическом или в периодических циклах. [1] [2] Колеблющиеся гены обычно имеют циркадный ритм и могут быть идентифицированы по периодическим изменениям состояния организма. Циркадные ритмы , контролируемые колеблющимися генами, имеют период примерно 24 часа. Например, листья растений открываются и закрываются в разное время дня или график сна и бодрствования животных может включать циркадные ритмы. Возможны и другие периоды, например, 29,5 дня в результате окололунных ритмов или 12,4 часа из-за циратидных ритмов. [3]Колеблющиеся гены включают в себя как гены основных тактовых импульсов, так и гены вывода. Ген компонента основной тактовой частоты - это ген, необходимый для кардиостимулятора. Однако выходной колебательный ген, такой как ген AVP , ритмичен, но не является необходимым для кардиостимулятора. [4]

История [ править ]

Первые зарегистрированные наблюдения колеблющихся генов были сделаны во время походов Александра Македонского в четвертом веке до нашей эры [5]. В это время один из генералов Александра, Андростен , писал, что тамариндовое дерево днем ​​раскрывает свои листья и закрывает их в ночь. [5] До 1729 года считалось, что ритмы, связанные с колебательными генами, являются «пассивными ответами на циклическую среду». [3] В 1729 году Жан-Жак д'Орту де Майранпродемонстрировали, что ритмы открывания и закрывания листьев растения продолжаются даже тогда, когда его помещают в такое место, куда не может попасть солнечный свет. Это было одним из первых указаний на наличие активного элемента в колебаниях. В 1923 году Ингеборг Белинг опубликовала свою статью «Über das Zeitgedächtnis der Bienen» («О временной памяти пчел»), которая распространила колебания на животных, в частности пчел [6]. В 1971 году Рональд Конопка и Сеймур Бензер обнаружили, что мутации PERIOD Ген вызывал изменения циркадного ритма у мух в постоянных условиях. Они предположили, что мутация гена влияет на основной механизм осциллятора. [7] Пол Хардин, Джеффри Холл и Майкл Росбаш продемонстрировали эту взаимосвязь, обнаружив, что в гене PERIOD существует механизм обратной связи, который контролирует колебания. [8] В середине 1990-х годов произошло излияние открытий: CLOCK , CRY и другие добавились к растущему списку колеблющихся генов. [9] [10]

Молекулярные циркадные механизмы [ править ]

Первичный молекулярный механизм, лежащий в основе колеблющегося гена, лучше всего описать как петлю обратной связи транскрипции / трансляции. [11] Эта петля содержит как положительные регуляторы, которые увеличивают экспрессию генов, так и отрицательные регуляторы, которые снижают экспрессию генов. [12] Основные элементы этих петель встречаются в разных типах. В циркадных часах млекопитающих, например, факторы транскрипции CLOCK и BMAL1 являются положительными регуляторами. [12] CLOCK и BMAL1 связываются с E-box осциллирующих генов, таких как Per1, Per2, Per3, Cry1 и Cry2, и активируют их транскрипцию. [12]Когда PER и CRY образуют гетерокомплекс в цитоплазме и снова входят в ядро, они ингибируют собственную транскрипцию. [13] Это означает, что со временем уровни мРНК и белка PER и CRY или любого другого колеблющегося гена в рамках этого механизма будут колебаться.

Также существует вторичная петля обратной связи или «стабилизирующая петля», которая регулирует циклическую экспрессию Bmal1. [12] Это вызвано двумя ядерными рецепторами, REV-ERB и ROR, которые подавляют и активируют транскрипцию Bmal1 соответственно. [12]

В дополнение к этим петлям обратной связи посттрансляционные модификации также играют роль в изменении характеристик циркадных часов, таких как их период. [13] Без какого-либо типа подавления обратной связи у молекулярных часов был бы период всего несколько часов. [12] Было обнаружено, что члены казеинкиназы CK1ε и CK1δ являются протеинкиназами млекопитающих, участвующими в регуляции циркадных ритмов. [12] Мутации в этих киназах связаны с наследственным синдромом продвинутой фазы сна ( FASPS ). [14] В общем, фосфорилирование необходимо для деградации PER с помощью убиквитинлигаз. [15] Напротив, фосфорилирование BMAL1 через CK2 важно для накопления BMAL1.[16]

Примеры [ править ]

Гены, представленные в этом разделе, представляют собой лишь небольшую часть из огромного количества колеблющихся генов, обнаруженных в мире. Эти гены были выбраны, потому что было определено, что они являются одними из наиболее важных генов, регулирующих циркадный ритм в соответствии с их классификацией.

Гены млекопитающих [ править ]

  • Cry1 и Cry2 - Криптохромы - это класс чувствительных к синему свету флавопротеинов, обнаруженных в растениях и животных. Cry1 и Cry2 кодируют белки CRY1 и CRY2. У дрозофилы CRY1 и CRY2 связываются с TIM , циркадным геном, который является компонентом петли отрицательной обратной связи транскрипции-трансляции, светозависимым образом и блокирует его функцию. У млекопитающих CRY1 и CRY2 не зависят от света и действуют, подавляя димер CLOCK-BMAL1 циркадных часов, который регулирует цикл транскрипции Per1. [17]
  • Bmal1 - Bmal1, также известный как ARNTL или ядерный транслокатор рецептора арильных углеводородов, кодирует белок, который образует гетеродимер с белком CLOCK. Этот гетеродимер связывается с энхансерами E-бокса, обнаруженными в промоторных областях многих генов, таких как Cry1, Cry2 и Per1-3, тем самым активируя транскрипцию. Получающиеся в результате белки перемещаются обратно в ядро ​​и действуют как негативные регуляторы, взаимодействуя с CLOCK и / или BMAL1, ингибируя транскрипцию. [11]
  • Часы - Часы, также известные как Циклы Циркадного Двигательного Двигателя Капут, являются транскрипционным фактором в циркадном кардиостимуляторе млекопитающих. Он влияет как на устойчивость, так и на период циркадных ритмов, взаимодействуя с геном Bmal1. Для получения дополнительной информации обратитесь к Bmal1.
  • По генам - существует три разных гена, также известных как гены периода (по 1, по 2 и по 3), которые связаны последовательностью у мышей. Уровни транскрипции mPer1 повышаются поздно ночью перед субъективным рассветом и сопровождаются увеличением уровней mPer3, а затем mPer2. mPer1 достигает пиков на CT 4-6, mPer3 на CT 4 и 8 и mPer2 на CT 8. [18] mPer1 необходим для фазовых сдвигов, вызванных светом или высвобождением глутамата. [19] mPer 2 и mPer3 участвуют в сбросе циркадных часов на световые сигналы окружающей среды. [20]

Гены дрозофилы [ править ]

  • Clock - Ген часов у Drosophila кодирует белок CLOCK и образует гетеродимер с белком CYCLE, чтобы контролировать основную колебательную активность циркадных часов. [21] Гетеродимер связывается с промоторной областью E-бокса как per, так и tim, что вызывает активацию экспрессии их соответствующих генов. Как только уровни белков для PER и TIM достигают критической точки, они также димеризуются и взаимодействуют с гетеродимером CLOCK-CYCLE, чтобы предотвратить его связывание с E-Box и активацию транскрипции. Эта отрицательная обратная связь важна для функционирования и синхронизации циркадных часов. [22]
  • Цикл - ген цикла кодирует белок CYCLE для образования гетеродимера с белком CLOCK. Гетеродимер создает петлю обратной связи транскрипции-трансляции, которая контролирует уровни как гена PER, так и гена TIM. Было показано, что эта обратная связь необходима как для функционирования, так и для синхронизации циркадных часов у дрозофилы . Для получения дополнительной информации см. Часы. [21]
  • Per - ген per - это тактовый ген, который кодирует белок PER у дрозофилы . Уровни белка и скорости транскрипции PER демонстрируют устойчивые циркадные ритмы, пик которых приходится на CT 16. Он создает гетеродимер с TIM для управления циркадным ритмом. Гетеродимер проникает в ядро, чтобы ингибировать гетеродимер CLOCK-CYCLE, который действует как активатор транскрипции для per и tim. Это приводит к ингибированию факторов транскрипции per и tim, тем самым снижая соответствующие уровни мРНК и уровни белка. [23] Для получения дополнительной информации см. Часы.
  • Timeless - ген tim кодирует белок TIM, который имеет решающее значение для регуляции циркадных ритмов у дрозофилы . Его уровни белка и скорости транскрипции демонстрируют циркадные колебания, которые достигают пика около CT 16. TIM связывается с белком PER, чтобы создать гетеродимер, петля обратной связи транскрипции-трансляции которого контролирует периодичность и фазу циркадных ритмов. Для получения дополнительной информации см. Период и Часы. [8]

Грибковые гены [ править ]

  • Frq - Ген Frq, также известный как ген частоты, кодирует центральные компоненты колебательной петли в циркадных часах в Neurospora . В петле обратной связи осциллятора frq порождает транскрипты, которые кодируют две формы белка FRQ. Обе формы необходимы для устойчивой ритмичности во всем организме. Ритмические изменения количества транскриптов frq необходимы для синхронной активности, а резкие изменения уровней frq сбрасывают часы. [18]

Бактериальные гены [ править ]

  • Гены Kai - обнаруженные в Synechococcus elongatus , эти гены являются важными компонентами часов цианобактерий, ведущего примера циркадных ритмов бактерий . Белки Kai регулируют экспрессию генов в масштабе всего генома. Колебания фосфорилирования и дефосфорилирования KaiC действуют как кардиостимулятор циркадных часов. [24]

Гены растений [ править ]

  • CCA1 - Ген CCA1, также известный как циркадный и связанный с часами ген 1, является геном, который особенно важен для поддержания ритмичности клеточных колебаний растений. Избыточная экспрессия приводит к потере ритмической экспрессии генов, контролируемых часами (CCG), потере контроля над фотопериодом и потере ритмичности в экспрессии LHY. См. Ниже ген LHY для получения дополнительной информации. [18]
  • LHY - Ген LHY, также известный как ген Late Elongated Hypocotyl , - это ген, обнаруженный в растениях, который кодирует компоненты взаимно регулирующих петель отрицательной обратной связи с CCA1, в которых избыточная экспрессия любого из них приводит к ослаблению их экспрессии. Эта отрицательная обратная связь влияет на ритмичность множественных выходов, создавая дневной белковый комплекс. [18]
  • Ген Toc1 - Toc1, также известный как ген синхронизации экспрессии CAB 1, представляет собой колеблющийся ген, обнаруженный в растениях, который, как известно, контролирует экспрессию CAB. Было показано, что он влияет на период циркадных ритмов за счет подавления факторов транскрипции. Это было обнаружено через мутации toc1 у растений, у которых был укороченный период экспрессии CAB.

См. Также [ править ]

  • Хронобиология

Ссылки [ править ]

  1. ^ Таттл, LM; Салис, Н; Томшайн, Дж; Казнессис, Ю.Н. (2005). «Модельно-ориентированные проекты колеблющейся генной сети» . Биофиз. Дж . 89 (6): 3873–83. Bibcode : 2005BpJ .... 89.3873T . DOI : 10.1529 / biophysj.105.064204 . PMC  1366954 . PMID  16183880 .
  2. ^ Морено-Рисуено, Мигель; Бенфей, Филипп Н. (2011). «Основанное на времени формирование паттерна в развитии: роль осциллирующей экспрессии генов» (PDF) . Landes Bioscience . 2 (3): 124–129. DOI : 10,4161 / trns.2.3.15637 . PMC 3149689 . PMID 21826283 .   
  3. ^ а б Мур, Мартин С., Фрэнк М. Сульцман и Чарльз А. Фуллер. Часы, которые измеряют нам: физиология циркадной системы синхронизации. Издательство Гарвардского университета.
  4. ^ Бур, ED; Такахаши, Дж.С. (2013). «Молекулярные компоненты циркадных часов млекопитающих». Справочник по экспериментальной фармакологии . 109 (5–6): 406–15. DOI : 10.3109 / 00016489009125162 . PMID 2360447 . 
  5. ^ a b Von Dr. Hugo Bretzl. 'Botanische Forschungen des Alexanderzuges'. Лейпциг: Тойбнер. 1903 г.
  6. ^ Белинг, Ингеборг (1929). "Über das Zeitgedächtnis der Bienen". Zeitschrift für Vergleichende Physiologie . 9 (2): 259–338. DOI : 10.1007 / BF00340159 .
  7. ^ Конопка, RJ; Бензер, Сеймур (1971). «Часовые мутанты Drosophila melanogaster» . Труды Национальной академии наук . 68 (9): 2112–2116. Bibcode : 1971PNAS ... 68.2112K . DOI : 10.1073 / pnas.68.9.2112 . PMC 389363 . PMID 5002428 .  
  8. ^ a b Хардин, ЧП; Холл, JC; Росбаш, М. (1990). «Обратная связь продукта гена периода Drosophila на циркадном цикле уровней его информационной РНК». Природа . 343 (6258): 536–40. Bibcode : 1990Natur.343..536H . DOI : 10.1038 / 343536a0 . PMID 2105471 . 
  9. ^ Thompson CL, Sancar A (2004). «Криптохром: открытие циркадного фотопигмента». В Lenci F, Хорспул WM. Справочник CRC по органической фотохимии и фотобиологии. Бока-Ратон: CRC Press. С. 1381–89. ISBN 0-8493-1348-1 . 
  10. ^ Король, DP; Чжао, Y; Сангорам, AM; Wilsbacher, LD; Танака, М; Антох, депутат; Стивс, Т.Д .; Vitaterna, MH; Корнхаузер, JM; Lowrey, PL; Турек, ФВ; Такахаши, Дж.С. (1997). «Позиционное клонирование гена циркадных часов мыши» . Cell . 89 (4): 641–653. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (00) 80245-7 . PMC 3815553 . PMID 9160755 .  
  11. ^ a b Репперт, Стивен М .; Уивер, Дэвид Р. (2002). «Координация суточного ритма у млекопитающих». Природа . 418 (6901): 935–941. Bibcode : 2002Natur.418..935R . DOI : 10,1038 / природа00965 . PMID 12198538 . 
  12. ^ a b c d e f g Kwon, I .; Choe, HK; Сын, GH; Кёнджин, К. (2011). «Молекулярные часы млекопитающих» . Экспериментальная нейробиология . 20 (1): 18–28. DOI : 10.5607 / en.2011.20.1.18 . PMC 3213736 . PMID 22110358 .  
  13. ^ а б Гальего, М; Виршуп, DM (2007). «Посттрансляционные модификации регулируют тиканье циркадных часов». Nat Rev Mol Cell Biol . 8 (2): 139–148. DOI : 10.1038 / nrm2106 . PMID 17245414 . 
  14. ^ Toh, KL; Джонс, CR; Привет; Эйде, Э.Дж.; Hinz, WA; Виршуп, DM; Птачек, ЖЖ; Фу, YH (2001). «Мутация сайта фосфорилирования hPer2 при семейном синдроме продвинутой фазы сна». Наука . 291 (5506): 1040–1043. Bibcode : 2001Sci ... 291.1040T . CiteSeerX 10.1.1.722.460 . DOI : 10.1126 / science.1057499 . PMID 11232563 .  
  15. ^ Цена, JL; Блау, Дж; Ротенфлу, А; Абодели, М; Клосс, Б; Янг, MW (1998). «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 . 
  16. ^ Тамару, Т; Hirayama, J; Исодзима, Y; Нагаи, К; Нориока, S; Такамацу, К. Сассоне-Корси, П. (2009). «CK2-alpha фосфорилирует BMAL1 для регулирования часов млекопитающих» . Nat Struct Mol Biol . 16 (4): 446–448. DOI : 10.1038 / nsmb.1578 . PMC 6501789 . PMID 19330005 .  
  17. ^ Гриффин, EA; Стакнис, Д; Weitz, CJ (1999). «Независимая от света роль CRY1 и CRY2 в циркадных часах млекопитающих». Наука . 286 (5440): 768–71. DOI : 10.1126 / science.286.5440.768 . PMID 10531061 . 
  18. ^ а б в г Данлэп, JC (1999). «Молекулярные основы циркадных часов». Cell . 96 (2): 271–290. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (00) 80566-8 . PMID 9988221 . 
  19. ^ Акияма, М; Kouzu, Y; Такахаши, S; Wakamatsu, H; Мория, Т; Maetani, M; Ватанабэ, S; Tei, H; Сакаки, ​​Y; Шибата, S (1999). «Ингибирование индуцированной светом или глутаматом экспрессии mPer1 подавляет фазовые сдвиги циркадных локомоторных и супрахиазматических ритмов возбуждения мышей» . J. Neurosci . 19 (3): 1115–21. DOI : 10.1523 / jneurosci.19-03-01115.1999 . PMC 6782139 . PMID 9920673 .  
  20. ^ Альбрехт, U; Чжэн, Б; Ларкин, Д; Солнце, ЗС; Ли, CC (2001). «MPer1 и mper2 необходимы для нормального сброса циркадных часов». J. Biol. Ритмы . 16 (2): 100–4. DOI : 10.1177 / 074873001129001791 . PMID 11302552 . 
  21. ^ а б Хунг, HC; Maurer, C; Zorn, D; Чанг, WL; Вебер, Ф (2009). «Последовательное и специфичное для компартментов фосфорилирование контролирует жизненный цикл циркадного белка CLOCK» . Журнал биологической химии . 284 (35): 23734–42. DOI : 10.1074 / jbc.M109.025064 . PMC 2749147 . PMID 19564332 .  
  22. ^ Ю, W; Чжэн, H; Хоул, JH; Dauwalder, B; Хардин, ЧП (2006). «PER-зависимые ритмы фосфорилирования CLK и связывания E-бокса регулируют циркадную транскрипцию» . Genes Dev . 20 (6): 723–33. DOI : 10,1101 / gad.1404406 . PMC 1434787 . PMID 16543224 .  
  23. ^ Исида, N; Канеко, М; Аллада, Р. (1999). «Биологические часы» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 96 (16): 8819–20. Bibcode : 1999PNAS ... 96.8819I . DOI : 10.1073 / pnas.96.16.8819 . PMC 33693 . PMID 10430850 .  
  24. ^ Накадзима, М; и другие. (2005). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования KaiC цианобактерий in vitro» . Наука . 308 (5720): 414–5. Bibcode : 2005Sci ... 308..414N . DOI : 10.1126 / science.1108451 . PMID 15831759 .