Gen oscylacyjny - Oscillating gene
W biologii molekularnej An gen oscylacyjny jest gen, który wyraża się w rytmicznej lub okresowych cykli. Geny oscylacyjne mają zwykle charakter okołodobowy i można je zidentyfikować na podstawie okresowych zmian stanu organizmu. Rytmy okołodobowe , kontrolowane przez oscylujące geny, trwają około 24 godzin. Na przykład, liście roślin otwierają się i zamykają o różnych porach dnia lub harmonogram snu i czuwania zwierząt może obejmować rytmy dobowe. Możliwe są również inne okresy, takie jak 29,5 dnia wynikające z rytmów okołokołowych lub 12,4 godziny wynikające z rytmów okołokrążeniowych. Geny oscylacyjne obejmują zarówno geny rdzenia zegara, jak i geny wyjściowe. Gen komponentu zegara rdzeniowego jest genem niezbędnym dla rozrusznika. Jednak oscylujący gen wyjściowy, taki jak gen AVP , jest rytmiczny, ale nie jest konieczny dla stymulatora.
Historia
Pierwsze odnotowane obserwacje oscylujących genów pochodzą z marszów Aleksandra Wielkiego w IV wieku p.n.e. W tym czasie jeden z generałów Aleksandra, Androsthenes pisał, że tamaryndowiec będzie otwierał liście w ciągu dnia i zamykał je o zmroku. Do 1729 r. zakładano, że rytmy związane z oscylacją genów są „pasywną reakcją na cykliczne środowisko”. W 1729 r. Jean-Jacques d'Ortous de Mairan zademonstrował, że rytm otwierania i zamykania liści przez roślinę trwał nawet po umieszczeniu w miejscu, do którego nie docierało światło słoneczne. Była to jedna z pierwszych oznak obecności aktywnego elementu w oscylacjach. W 1923 roku Ingeborg Beling opublikowała artykuł „Über das Zeitgedächtnis der Bienen” („O pamięci czasu pszczół”), który rozszerzył oscylacje na zwierzęta, a konkretnie na pszczoły. W 1971 Ronald Konopka i Seymour Benzer odkryli, że mutacje genu PERIOD powodują zmiany w rytmie dobowym much w stałych warunkach. Postawili hipotezę, że mutacja genu wpływa na podstawowy mechanizm oscylatora. Paul Hardin , Jeffrey Hall i Michael Rosbash wykazali tę zależność, odkrywając, że w genie PERIOD istnieje mechanizm sprzężenia zwrotnego, który kontroluje oscylację. W połowie lat 90. nastąpiła fala odkryć, a do rosnącej listy oscylujących genów dodano CLOCK , CRY i inne.
Molekularne mechanizmy okołodobowe
Podstawowy mechanizm molekularny stojący za oscylującym genem najlepiej opisać jako pętla sprzężenia zwrotnego transkrypcji/translacji. Pętla ta zawiera zarówno regulatory pozytywne, które zwiększają ekspresję genów, jak i regulatory negatywne, które zmniejszają ekspresję genów. Podstawowe elementy tych pętli można znaleźć w różnych typach. Na przykład w ssaczym zegarze dobowym pozytywnymi regulatorami są czynniki transkrypcyjne CLOCK i BMAL1 . CLOCK i BMAL1 wiążą się z E-box oscylujących genów, takich jak Per1, Per2 i Per3 oraz Cry1 i Cry2, i zwiększają ich transkrypcję. Kiedy PER i CRY tworzą heterokompleks w cytoplazmie i ponownie wchodzą do jądra, hamują własną transkrypcję. Oznacza to, że z biegiem czasu poziomy mRNA i białek PER i CRY lub jakiegokolwiek innego oscylującego genu w ramach tego mechanizmu będą oscylować.
Istnieje również wtórna pętla sprzężenia zwrotnego lub „pętla stabilizująca”, która reguluje cykliczną ekspresję Bmal1. Jest to spowodowane przez dwa receptory jądrowe, REV-ERB i ROR, które odpowiednio tłumią i aktywują transkrypcję Bmal1.
Oprócz tych pętli sprzężenia zwrotnego modyfikacje potranslacyjne również odgrywają rolę w zmianie cech zegara dobowego, takich jak jego okres. Bez jakiejkolwiek represji sprzężenia zwrotnego zegar molekularny miałby okres zaledwie kilku godzin. Stwierdzono, że członkowie kinazy kazeinowej CK1ε i CK1δ są ssaczymi kinazami białkowymi uczestniczącymi w regulacji okołodobowej. Mutacje w tych kinazach są związane z zespołem rodzinnej zaawansowanej fazy snu ( FASPS ). Ogólnie rzecz biorąc, fosforylacja jest konieczna do degradacji PER przez ligazy ubikwityny. W przeciwieństwie do tego fosforylacja BMAL1 przez CK2 jest ważna dla akumulacji BMAL1.
Przykłady
Geny podane w tej sekcji to tylko niewielka liczba z ogromnej ilości oscylujących genów występujących na świecie. Geny te zostały wybrane, ponieważ uznano je za jedne z najważniejszych genów regulujących rytm dobowy ich odpowiedniej klasyfikacji.
Geny ssaków
- Cry1 i Cry2 – kryptochromy to klasa flawoprotein wrażliwych na światło niebieskie występujące w roślinach i zwierzętach. Kod Cry1 i Cry2 dla białek CRY1 i CRY2. U Drosophila CRY1 i CRY2 wiążą się z TIM , dobowym genem, który jest składnikiem pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego transkrypcji-translacji, w sposób zależny od światła i blokuje jego funkcję. U ssaków CRY1 i CRY2 są niezależne od światła i działają hamując dimer zegara okołodobowego CLOCK-BMAL1, który reguluje cykl transkrypcji Per1.
- Bmal1 - Bmal1 znany również jako ARNTL lub Arylowy receptor węglowodorowy podobny do translokatora jądrowego, koduje białko, które tworzy heterodimer z białkiem CLOCK. Ten heterodimer wiąże się ze wzmacniaczami E-box znajdującymi się w regionach promotorowych wielu genów, takich jak Cry1 i Cry2 oraz Per1-3, aktywując w ten sposób transkrypcję. Powstałe białka translokują się z powrotem do jądra i działają jako negatywne regulatory poprzez interakcję z CLOCK i/lub BMAL1 hamując transkrypcję.
- Clock – Clock, znany również jako Circadian Locomotor Output Cycles Kaput, jest czynnikiem transkrypcyjnym w rytmie okołodobowym ssaków. Wpływa zarówno na utrzymywanie się, jak i okres rytmów okołodobowych poprzez interakcje z genem Bmal1. Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z Bmal1.
- Na geny – istnieją trzy różne geny na geny, znane również jako geny okresu (na 1, na 2 i na 3), które są powiązane sekwencją u myszy. Poziomy transkrypcji dla mPer1 wzrastają późną nocą przed subiektywnym świtem, po czym następują wzrosty poziomów mPer3, a następnie mPer2. Piki mPer1 przy CT 4-6, mPer3 przy CT 4 i 8 oraz mPer2 przy CT 8. mPer1 jest niezbędny do przesunięć fazowych indukowanych przez uwalnianie światła lub glutaminianu. mPer 2 i mPer3 biorą udział w przestawianiu zegara dobowego na sygnały świetlne otoczenia.
Geny Drosophila
- Zegar – gen zegara u Drosophila koduje białko CLOCK i tworzy heterodimer z białkiem CYCLE w celu kontrolowania głównej aktywności oscylacyjnej zegara okołodobowego. Heterodimer wiąże się z regionem promotora E-box zarówno per, jak i tim, co powoduje aktywację ich odpowiedniej ekspresji genów. Gdy poziomy białka zarówno dla PER, jak i TIM osiągną punkt krytyczny, również ulegają dimeryzacji i oddziaływaniu z heterodimerem CLOCK-CYCLE, aby zapobiec jego wiązaniu się z E-Box i aktywacji transkrypcji. Ta pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego jest niezbędna do funkcjonowania i synchronizacji zegara dobowego.
- Cycle – gen cyklu koduje białko CYCLE, tworząc heterodimer z białkiem CLOCK. Heterodimer tworzy pętlę sprzężenia zwrotnego transkrypcja-translacja, która kontroluje poziomy zarówno genu PER, jak i TIM. Wykazano, że ta pętla sprzężenia zwrotnego jest niezbędna zarówno dla funkcjonowania, jak i czasu zegara dobowego u Drosophila . Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Zegar.
- Per – gen per to gen zegarowy, który koduje białko PER u Drosophila . Poziomy białek i szybkości transkrypcji PER wykazują silne rytmy dobowe, które osiągają szczyt wokół CT 16. Tworzy on heterodimer z TIM do kontrolowania rytmu dobowego. Heterodimer wchodzi do jądra w celu zahamowania heterodimeru CLOCK-CYCLE, który działa jako aktywator transkrypcji dla per i tim. Powoduje to hamowanie czynników transkrypcyjnych per i tim, tym samym obniżając odpowiednie poziomy mRNA i poziomy białka. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Zegar.
- Ponadczasowy – gen tim koduje białko TIM, które ma kluczowe znaczenie w regulacji okołodobowej u Drosophila . Jego poziomy białka i szybkości transkrypcji wykazują oscylację okołodobową, która osiąga szczyt w okolicach CT 16. TIM wiąże się z białkiem PER, tworząc heterodimer, którego pętla sprzężenia zwrotnego transkrypcja-translacja kontroluje okresowość i fazę rytmów okołodobowych. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Okres i zegar.
Geny grzybowe
- Frq – gen Frq, znany również jako gen częstotliwości, koduje centralne składniki pętli oscylacyjnej w zegarze okołodobowym w Neurosporze . W pętli sprzężenia zwrotnego oscylatora frq daje początek transkryptom kodującym dwie formy białka FRQ. Obie formy są wymagane do silnej rytmiki w całym organizmie. Rytmiczne zmiany w ilości transkryptu frq są niezbędne dla aktywności synchronicznej, a nagłe zmiany w poziomach frq resetują zegar.
Geny bakteryjne
- Geny Kai – znajdujące się w Synechococcus elongatus , te geny są niezbędnymi składnikami zegara sinicowego, wiodącym przykładem bakteryjnych rytmów okołodobowych . Białka Kai regulują ekspresję genów w całym genomie. Oscylacja fosforylacji i defosforylacji KaiC działa jak rozrusznik zegara dobowego.
Roślinne geny
- CCA1 – Gen CCA1, znany również jako gen 1 okołodobowy i zegarowy, jest genem, który jest szczególnie ważny w utrzymaniu rytmu oscylacji komórek roślinnych. Nadekspresja powoduje utratę rytmicznej ekspresji genów kontrolowanych zegarem (CCG), utratę kontroli fotoperiodu i utratę rytmiki w ekspresji LHY. Zobacz gen LHY poniżej, aby uzyskać więcej informacji.
- LHY – Gen LHY, znany również jako gen późnego wydłużonego hipokotylu , jest genem występującym w roślinach, który koduje elementy wzajemnie regulujących się pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego z CCA1, w których nadekspresja jednego z nich powoduje tłumienie ich ekspresji. Ta pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego wpływa na rytmiczność wielu wyjść, tworząc kompleks białkowy w ciągu dnia.
- Gen Toc1 – Toc1, znany również jako gen Timing of CAB Expression 1, jest genem oscylacyjnym występującym w roślinach, o którym wiadomo, że kontroluje ekspresję CAB. Wykazano, że wpływa na okres rytmów okołodobowych poprzez tłumienie czynników transkrypcyjnych. Stwierdzono to poprzez mutacje toc1 w roślinach, które miały skrócony okres ekspresji CAB.