新研究揭示昼夜节律如何运作

为“Cryptochrome-TimelessStructureRevealsCircadianClockTimingMechanisms”的研究于4月26日发表在《自然》杂志上。

该研究的重点是果蝇隐花色素，它是植物和动物(包括人类)生物钟的关键组成部分。在苍蝇和其他昆虫中，由蓝光激活的隐花色素充当设置昼夜节律的主要光传感器。被称为“永恒”(TIM)的隐花色素光传感器的目标是一种大型复杂蛋白质，以前无法成像，因此它与隐花色素的相互作用尚不清楚。

昼夜节律基本上是通过遗传反馈回路起作用的。研究人员发现，TIM蛋白与其伙伴PER蛋白共同作用，抑制负责自身产生的基因。通过基因表达和抑制事件之间的适当延迟，建立了蛋白质水平的振荡。

这种振荡代表了“时钟的滴答声，似乎对昼夜节律来说是相当独特的，”乔治W和格蕾丝L托德教授兼艺术学院化学和化学生物学布赖恩克兰说。和科学。

Crane说，蓝光改变了隐花色素的黄素辅助因子的化学和结构，这使得该蛋白质能够结合TIM蛋白并抑制TIM抑制基因表达的能力，从而重置振荡。

Crane说，这项研究的大部分艰苦工作都是为了弄清楚如何产生隐花色素-TIM复合物，以便对其进行研究，因为TIM是一种非常大、笨重的蛋白质。为了取得他们的成果，第一作者ChangfanLin，MS'17，博士。'21，修改了隐花色素蛋白以提高隐花色素-TIM复合物的稳定性，并使用创新技术纯化样品，使其适用于高分辨率成像。

“这些新方法使我们能够获得蛋白质结构的详细图像，并对它们的功能获得有价值的见解，”加州理工学院弗里德里希共济失调研究联盟博士后研究员林说。“这项研究不仅加深了我们对昼夜节律调节的理解，而且为开发针对相关过程的疗法开辟了新的可能性。”

共同作者石峰是生物物理学领域的博士生，他做了很多冷冻电子显微镜工作。生物化学和分子与细胞生物学领域的博士生CristinaC.DeOliveira也是合著者。

该研究的一个意想不到的结果揭示了细胞中DNA损伤是如何修复的。隐花色素与参与修复DNA损伤的酶家族密切相关，称为光解酶。克莱恩说，这项研究“解释了为什么这些蛋白质家族彼此密切相关，尽管它们在做完全不同的事情——它们在不同的环境中利用相同的分子识别。”

该研究还解释了果蝇的遗传变异，使它们能够适应高纬度地区，那里冬天的白昼时间更短，天气更凉爽。这些果蝇更多地具有涉及TIM蛋白变化的特定遗传变异，目前尚不清楚为什么这种变异可以帮助它们。研究人员发现，由于隐花色素与TIM的结合方式，这种变异会降低TIM对隐花色素的亲和力。然后调节蛋白质之间的相互作用，改变光重置振荡的能力，从而改变生物钟并延长果蝇的休眠期，这有助于它在冬天生存。

“我们在果蝇中看到的一些相互作用可以映射到人类蛋白质上，”Crane说。“这项研究可能有助于我们了解调节人们睡眠行为的成分之间的关​​键相互作用，例如基本计时机制中的关键延迟是如何构建到系统中的。”

Lin说，另一个令人兴奋的发现是在TIM中发现了一个重要的结构区域，称为“凹槽”，这有助于解释TIM如何进入细胞核。之前的研究已经确定了这一过程中涉及的一些因素，但确切的机制仍不清楚。“我们的研究让我们对这种现象有了更清晰的认识，”林说。