Осциллирующий ген - Oscillating gene

В молекулярной биологии , ген колебательный представляет собой ген , который выражается в ритмическом или в периодических циклах. 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 в результате циратидных ритмов. 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 , является ритмичным, но не является необходимым для кардиостимулятора.

История

Первые зарегистрированные наблюдения колеблющихся генов были сделаны во время походов Александра Македонского в четвертом веке до нашей эры. В это время один из генералов Александра, Андростен , писал, что тамариндовое дерево днем ​​открывает свои листья и закрывает их с наступлением темноты. До 1729 года считалось, что ритмы, связанные с колебательными генами, являются «пассивными ответами на циклическую среду». В 1729 году Жан-Жак д'Орту де Майран продемонстрировал, что ритмы открывания и закрывания листьев растения продолжаются даже тогда, когда его помещают в такое место, куда не проникает 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. В 1971 году Рональд Конопка и Сеймур Бензер обнаружили, что мутации гена PERIOD вызывают изменения в циркадном ритме мух в постоянных условиях. Они предположили, что мутация гена влияет на основной механизм осциллятора. Пол Хардин , Джеффри Холл и Майкл Росбаш продемонстрировали эту взаимосвязь, обнаружив, что в гене PERIOD существует механизм обратной связи, который контролирует колебания. В середине 1990-х годов произошло излияние открытий: CLOCK , CRY и другие добавились к растущему списку колеблющихся генов.

Молекулярные циркадные механизмы

Первичный молекулярный механизм, лежащий в основе колеблющегося гена, лучше всего описать как петлю обратной связи транскрипции / трансляции. Эта петля содержит как положительные регуляторы, которые увеличивают экспрессию генов, так и отрицательные регуляторы, которые снижают экспрессию генов. Основные элементы этих петель встречаются в разных типах. В циркадных часах млекопитающих, например, факторы транскрипции CLOCK и BMAL1 являются положительными регуляторами. CLOCK и BMAL1 связываются с E-box осциллирующих генов, таких как Per1, Per2, Per3, Cry1 и Cry2, и активируют их транскрипцию. Когда PER и CRY образуют гетерокомплекс в цитоплазме и снова входят в ядро, они ингибируют собственную транскрипцию. 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. Это вызвано двумя ядерными рецепторами, REV-ERB и ROR, которые подавляют и активируют транскрипцию Bmal1 соответственно.

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

Примеры

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

  • 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.
  • 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.
  • 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. mPer1 необходим для фазовых сдвигов, вызванных светом или высвобождением глутамата. mPer 2 и mPer3 участвуют в сбросе циркадных часов на световые сигналы окружающей среды.

Гены дрозофилы

  • Clock - Ген часов у Drosophila кодирует белок CLOCK и образует гетеродимер с белком CYCLE, чтобы контролировать основную колебательную активность циркадных часов. Гетеродимер связывается с областью промотора 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.
  • 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.
  • 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. 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.

Грибковые гены

  • 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.

Бактериальные гены

  • 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.

Гены растений

  • CCA1 - Ген CCA1, также известный как циркадный и связанный с часами ген 1, является геном, который особенно важен для поддержания ритмичности клеточных колебаний растений. Сверхэкспрессия 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.
  • LHY - Ген LHY, также известный как ген Late Elongated Hypocotyl , представляет собой 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.
  • 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.

Смотрите также

использованная литература