Цикл обратной связи транскрипции и перевода
Петля обратной связи транскрипции-трансляции ( TTFL ) — это клеточная модель, объясняющая циркадные ритмы в поведении и физиологии . Широко консервативный у разных видов, TTFL является авторегуляторным, при котором транскрипция часовых генов регулируется их собственными белковыми продуктами.
Открытие
[ редактировать ]Циркадные ритмы документировались на протяжении веков. Например, французский астроном Жан-Жак д'Ортус де Майран заметил периодическое 24-часовое движение листьев мимозы еще в 1729 году. Однако наука только недавно начала раскрывать клеточные механизмы, ответственные за управление наблюдаемыми циркадными ритмами. Клеточная основа циркадных ритмов подтверждается тем фактом, что ритмы наблюдались у одноклеточных организмов. [1]
Начиная с 1970-х годов эксперименты, проведенные Роном Конопкой и его коллегами, в которых передовые генетические методы для индукции мутаций использовались Drosophila melanogaster , показали, что образцы измененного периода ( Per с генами ) также демонстрируют измененную периодичность. По мере совершенствования экспериментальных инструментов генетической и молекулярной биологии исследователи дополнительно идентифицировали гены, участвующие в поддержании нормального ритмического поведения, что привело к появлению концепции о том, что внутренние ритмы модифицируются небольшим подмножеством генов основных часов. Хардин и его коллеги (1990) были первыми, кто предположил, что механизмом, управляющим этими ритмами, является петля отрицательной обратной связи. Последующие крупные открытия подтвердили эту модель; в частности, эксперименты, проведенные Томасом К. Дарлингтоном и Николасом Гекакисом в конце 1990-х годов, которые идентифицировали часовые белки и охарактеризовали их методы у дрозофилы и мышей соответственно. Эти эксперименты привели к появлению модели петли обратной связи транскрипции-трансляции (TTFL), которая в настоящее время стала доминирующей парадигмой для объяснения циркадного поведения у широкого спектра видов. [2]
Общие механизмы TTFL
[ редактировать ]TTFL — это петля отрицательной обратной связи , в которой гены часов регулируются их белковыми продуктами. Как правило, TTFL включает в себя два основных плеча: положительные регуляторные элементы, которые способствуют транскрипции , и белковые продукты, подавляющие транскрипцию. Когда положительный регуляторный элемент связывается с промотором часового гена , происходит транскрипция, приводящая к созданию транскрипта мРНК , а затем продолжается трансляция , приводящая к образованию белкового продукта. Существуют характерные задержки между накоплением транскрипта мРНК, накоплением белка и подавлением генов из-за динамики трансляции, посттрансляционной модификации белка , димеризации белка и внутриклеточного перемещения к ядру . [3] У всех видов белки, участвующие в TTFL, содержат общие структурные мотивы, такие как домены PAS , участвующие в белок-белковых взаимодействиях, и домены bHLH , участвующие в связывании ДНК. [4]
накапливается достаточное количество модифицированных белковых продуктов Как только в цитоплазме , они транспортируются в ядро, где ингибируют положительный элемент промотора, останавливая транскрипцию часовых генов. Таким образом, часовой ген транскрибируется на низких уровнях до тех пор, пока его белковые продукты не разрушатся, позволяя положительным регуляторным элементам связываться с промотором и возобновлять транскрипцию. Петля отрицательной обратной связи TTFL имеет множество свойств, важных для клеточных циркадных часов. Во-первых, это приводит к ежедневным ритмам как транскрипции гена, так и количества и размера белка, что вызвано задержкой между трансляцией и негативной регуляцией гена. Период цикла, или время, необходимое для завершения одного цикла, остается постоянным у каждого человека и, за исключением мутации, обычно составляет около 24 часов. Это обеспечивает стабильное вовлечение в 24-часовой цикл света и темноты, который испытывает Земля. Кроме того, белковые продукты часовых генов контролируют нижестоящие гены, которые не являются частью петли обратной связи, позволяя часовым генам создавать суточные ритмы в других процессах, таких как обмен веществ, внутри организма. [3] Наконец, TTFL представляет собой предельный цикл, что означает, что это замкнутый цикл, который возвращается к своей фиксированной траектории, даже если она нарушена, поддерживая колебательный путь на фиксированном 24-часовом периоде. [5]
Известные модели
[ редактировать ]Наличие TTFL высоко консервативно у разных видов животных; однако многие участники этого процесса менялись с течением времени в эволюции внутри разных видов. При сравнении растений, животных, грибов и других эукариот существуют различия в генах и белках, участвующих в TTFL. Это говорит о том, что часы, соответствующие модели TTFL, эволюционировали несколько раз за время существования жизни. [6]
| Дрозофила меланогастер | |
|---|---|
| Позитивные регуляторы | ЦИК, Часы |
| Отрицательные регуляторы | ТИМ, ПЕР |
| Млекопитающие | |
| Позитивные регуляторы | БМАЛ1, ЧАСЫ |
| Отрицательные регуляторы | ПЕР1, ПЕР2, ПЛАЧ1, ПЛАЧ2 |
| Нейроспора | |
| Позитивные регуляторы | Туалет-1. туалет-2 |
| Отрицательные регуляторы | ЧАСТОТА |
Дрозофила меланогастер
[ редактировать ]TTFL был впервые обнаружен у дрозофилы , и эта система имеет несколько общих компонентов с TTFL млекопитающих. Транскрипция генов часов, Period (per) и Timeless (tim) , инициируется, когда положительные элементы Cycle (dCYC) и Clock (dCLK) образуют гетеродимер и связываются с промоторами E-box , инициируя транскрипцию. В течение дня ТИМ деградирует; Воздействие света способствует связыванию CRY с TIM, что приводит к повсеместному распространению TIM и возможной деградации. [7] В течение ночи TIM и PER способны образовывать гетеродимеры и медленно накапливаться в цитоплазме, где PER фосфорилируется киназой DOUBLETIME (DBT). Посттранскрипционная модификация нескольких фосфатных групп одновременно нацелена на деградацию комплекса и облегчает ядерную локализацию. В ядре димер PER-TIM связывается с димером CYC-CLK, что приводит к высвобождению димера CYC-CLK из E-боксов и ингибированию транскрипции. Как только PER и TIM деградируют, димеры CYC-CLK могут снова связывать E-боксы, чтобы инициировать транскрипцию, замыкая петлю отрицательной обратной связи. [8]
Вторичные петли обратной связи взаимодействуют с этой первичной петлей обратной связи. ЗАВОДНОЙ ОРАНЖЕВЫЙ (CWO) связывает E-боксы, действуя как прямой конкурент CYC-CLK, тем самым ингибируя транскрипцию. БЕЛОК 1 PAR-ДОМЕНА ε (PDP1ε) является активатором обратной связи, а VRILLE (VRI) является ингибитором обратной связи промотора Clk, и их экспрессия активируется с помощью dCLK-dCYC. Индуцируемый экдизоном белок 75 (E75) ингибирует экспрессию clk и tim -зависимо активирует транскрипцию r . Все эти вторичные петли усиливают основной TTFL. [8]
Криптохром у дрозофилы представляет собой фоторецептор синего света, который запускает деградацию TIM, косвенно приводя к сбросу фазы часов и возобновлению стимулирования экспрессии . [8]
Млекопитающие
[ редактировать ]
Модель TTFL млекопитающих содержит множество компонентов, которые являются гомологами тех, что обнаружены у дрозофилы. Система млекопитающих работает следующим образом: BMAL1 образует гетеродимер с CLOCK, чтобы инициировать транскрипцию mPer и криптохрома ( cry ). Есть три паралога или исторически сходных гена, которые теперь появляются как дупликация гена периода у млекопитающих, перечисленных как mPer1 , mPer2 и mPer3 . У млекопитающих также есть два паралога криптохрома. Белки PER и CRY образуют гетеродимер, а фосфорилирование PER с помощью CK1δ и CK1ε регулирует локализацию димера в ядре. В ядре PER-CRY отрицательно регулирует транскрипцию родственных им генов, связывая BMAL1-CLOCK и вызывая их высвобождение из промотора E-box. [8]
Хотя паралоги mPer работают вместе как функциональный ортолог dPer , каждый из них имеет особую функцию. mPer1 и mPer2 необходимы для часовой функции мозга, тогда как mPer3 играет лишь заметную роль в циркадных ритмах периферических тканей. Нокаут mPer1 нокаут или mPer2 вызывает изменение периода: нокаут mPer1 протекает в свободном режиме с более коротким периодом, а mPer2 — в свободном режиме с более длительным периодом по сравнению с исходным тау, прежде чем в конечном итоге стать аритмичным. Аналогичным образом, нокаут mCry1 приводит к укорочению периода, а нокаут mCry2 — к удлинению периода, а двойной нокаут mCry1 /m Cry2 приводит к аритмии. [8]
У млекопитающих также имеются вторичные петли, хотя они более сложны, чем у дрозофилы . Подобно CWO у дрозофилы , делетированный при раке пищевода1,2 (Dec1 Dec2) подавляет экспрессию mPer путем связывания E-боксов, что предотвращает связывание CLOCK-BMAL1 с их мишенями. Рецепторы REV-ERB и орфанный рецептор, связанный с ретиноевой кислотой (ROR), играют аналогичную роль с PDP1ε и VRI у дрозофилы , за исключением того, что они регулируют партнера по связыванию CLOCK BMAL1 вместо прямой регуляции CLOCK. Белок, связывающий сайт D (DBP), и белок, связывающий E4 (E4BP4), связываются с последовательностью промотора D-Box, регулируя mPer . экспрессию [8]
То, как эти гены связаны с Drosophila melanogaster, можно увидеть в функции каждого из генов и в том, как они эволюционно изменились. BMAL1 является ортологом CYCLE . Это означает, что BMAL1 и CYCLE, по-видимому, имеют общую историю, но встречаются у разных видов. Другой пример параллелей между Drosophila melanogaster и млекопитающими также можно увидеть у Cry и mPer, поскольку они являются функциональными ортологами per и tim . [8]
Грибы: Нейроспора
[ редактировать ]
гена Частота ( frq ) у Neurospora была идентифицирована как второй известный часовой ген в 1979 году Дж. Ф. Фельдманом и его коллегами. Frq был впервые клонирован в 1989 году Ч.Р. МакКлюнгом и его коллегами. Этот ген представлял особый интерес, поскольку его экспрессия очень сложна по сравнению с другими известными микробными генами. Два белка-позитивных регулятора, White Collar-1 (WC-1) и White Collar-2 (WC-2), связывают промотор frq, который называется Clock Box, во время поздней субъективной ночи, чтобы активировать транскрипцию. Свет также важен для индукции экспрессии FRQ; WC-1 представляет собой фотопигмент, и свет позволяет WC-1 и WC-2 связываться с другим промотором, называемым проксимальным светочувствительным элементом (PLRE). Белок FRQ отрицательно регулирует активность WC-1 и WC-2. Несколько киназ (CK1, CK2 и PRD-4/киназа контрольной точки 2) и фосфатаз (PP1 и PP2A) регулируют способность FRQ перемещаться в ядро и стабильность FRQ, WC-1 и WC-2. [9]
Растения: Arabidopsis thaliana.
[ редактировать ]Первая модель TTFL была предложена для Arabidopsis thaliana в 2001 году и включала два транскрипционных фактора MYB: LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY), CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 (CCA1) и TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1). CCA1 и LHY экспрессируются утром и взаимодействуют друг с другом, подавляя экспрессию TOC1. Экспрессия CCA1 и LHY снижается в темноте, позволяя TOC1 экспрессировать и отрицательно регулировать экспрессию CCA1 и LHY. CCA1 и LHY также могут связываться со своим промотором, подавляя собственную транскрипцию. [10]
Существует вторая петля, включающая PRR9, PRR7 и PRR5, которые являются гомологами TOC1 и подавляют экспрессию CCA1 и LHY. Эти гены PRR напрямую репрессируются LHY и TOC1. Эти гены также регулируются «вечерним комплексом» (ВК), который образуют ЛЮКС АРРИТМО (LUX), РАННЕЕ ЦВЕТЕНИЕ 3 (ELF3) и РАННЕЕ ЦВЕТЕНИЕ 4 (ELF4). LUX представляет собой фактор транскрипции с функцией, аналогичной MYB, тогда как ELF3 и ELF4 представляют собой ядерные белки, функции которых неизвестны. «Вечерний комплекс» косвенно способствует экспрессии LHY и CCA1, которые подавляют транскрипцию собственных компонентов. Поскольку эта модель состоит из двух торможений, ведущих к активации, ее еще называют репрессилятором. [10]
Недавно обнаруженная петля включает семейство генов reveille ( reveille ), которые экспрессируются утром и индуцируют транскрипцию вечерних генов, таких как PRR5, TOC1, LUX и ELF4. Как только полученные белки транслируются, PRR9, PRR7 и PRR5 репрессируют RVE8. RVE8 также взаимодействует с утренними компонентами, индуцируемыми ночным светом и регулируемыми часами (LNK1, 2, 3 и 4), при этом LNK либо противодействуют, либо совместно активируют RVE8. [10]
Хотя GIGANTEA (GI) не известен как основная часть модели TTFL Arabdopsis , он подавляется CCA1, LHY и TOC1. Кроме того, GI активирует экспрессию CCA1 и LHY. [10]
Цианобактерии
[ редактировать ]Исследования часов цианобактерий привели к открытию трех основных генов часов: KaiA , KaiB и KaiC . Первоначально считалось, что эти белки следуют модели TTFL, аналогичной той, которая была предложена для эукарий , поскольку существовала ежедневная закономерность в количестве мРНК и белков и уровне фосфорилирования, отрицательная обратная связь белков с родственными им генами, сброс фазы часов в ответ на Сверхэкспрессия KaiC и изменение активности Kai посредством взаимодействия друг с другом. [11] Каждый из этих результатов соответствовал пониманию TTFL того времени. Однако более поздние исследования пришли к выводу, что посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование, более важны для контроля часов. Когда промоторы белков Kai были заменены неспецифическими промоторами, не произошло прерывания центральной петли обратной связи, как можно было бы ожидать, если бы ингибирование происходило за счет обратной связи белков с их специфическими промоторами. Как следствие, модель TTFL в значительной степени признана неточной для цианобактерий; регуляция транскрипции не является центральным процессом, управляющим ритмами цианобактерий. Хотя регуляция транскрипции и трансляции присутствует, они считались эффектом часов, а не необходимыми для функции часов. [12]
Альтернативы модели TTFL
[ редактировать ]Также были обнаружены петли посттрансляционной обратной связи (PTFL), участвующие в регуляции часовых генов, часто работающие в тандеме с моделью TTFL. И у млекопитающих, и у растений посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование и ацетилирование, регулируют численность и/или активность часовых генов и белков. Например, было показано, что уровни фосфорилирования компонентов TTFL ритмично изменяются. Эти посттрансляционные модификации могут служить сигналами деградации, регуляторами связывания и сигналами для привлечения дополнительных факторов. [13]
Примечательно, что цианобактерии демонстрируют ритмичные 24-часовые изменения фосфорилирования в петле обратной связи, которая не зависит от транскрипции и трансляции: циркадные ритмы фосфорилирования наблюдаются, когда белки петли обратной связи Kai помещаются в пробирку с АТФ, независимо от каких-либо других клеточных механизмов. . Эта трехбелковая посттрансляционная система широко признана основным генератором, необходимым и достаточным для управления ежедневными ритмами. [14] Было показано, что помимо системы Kai у цианобактерий окисление белков пероксиредоксина происходит независимо от транскрипции и трансляции как в эритроцитах млекопитающих, так и в водорослей Ostreococcus tauri клетках ; Было замечено, что эта система сохраняется у многих организмов. [15] Неясно, взаимодействует ли система пероксиредоксина с часами на основе TTFL или сама является частью новых часов на основе PTFL. Однако оба эти открытия подразумевают, что у некоторых организмов или типов клеток PTFLs достаточно для управления циркадными ритмами.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мергенхаген Д. (2001). «Циркадные ритмы у одноклеточных организмов». Актуальные темы микробиологии и иммунологии . Справочник по поведенческой нейробиологии. 90 . Спрингер США: 123–47. дои : 10.1007/978-1-4615-1201-1_4 . ISBN 9781461512011 . ПМИД 6775877 .
- ^ Вулунд Л., Редди AB (декабрь 2015 г.). «Краткая история циркадного времени: появление окислительно-восстановительных колебаний как нового компонента биологических ритмов» . Перспективы в науке . 6 : 27–37. дои : 10.1016/j.pisc.2015.08.002 .
- ^ Jump up to: а б Гастингс М.Х., Мэйвуд Э.С., О'Нил Дж.С. (сентябрь 2008 г.). «Клеточный циркадный ритм и роль цитозольных ритмов» . Современная биология . 18 (17): Р805–Р815. дои : 10.1016/j.cub.2008.07.021 . ПМИД 18786386 .
- ^ Данлэп Дж.С., Лорос Дж.Дж., Лю Ю., Кростуэйт С.К. (январь 1999 г.). «Эукариотические циркадные системы: общие циклы» . Гены в клетки . 4 (1): 01–10. дои : 10.1046/j.1365-2443.1999.00239.x . ПМИД 10231388 .
- ^ Шередос Б (2013). «Научные диаграммы как следы группового познания: краткий когнитивно-исторический анализ» . Труды ежегодного собрания Общества когнитивных наук . 35 (35).
- ^ Лаудон А.С. (июль 2012 г.). «Циркадная биология: часы возрастом 2,5 миллиарда лет» . Современная биология . 22 (14): Р570-1. дои : 10.1016/j.cub.2012.06.023 . ПМИД 22835791 .
- ^ Йошии Т., Герман-Луибль С., Хелфрих-Фёрстер С. (2 января 2016 г.). «Циркадные пути поступления света у дрозофилы» . Коммуникативная и интегративная биология . 9 (1): e1102805. дои : 10.1080/19420889.2015.1102805 . ПМЦ 4802797 . ПМИД 27066180 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Андреани Т.С., Ито Т.К., Йилдирим Э., Хванбо Д.С., Аллада Р. (декабрь 2015 г.). «Генетика циркадных ритмов» . Клиники медицины сна . 10 (4): 413–21. дои : 10.1016/j.jsmc.2015.08.007 . ПМЦ 4758938 . ПМИД 26568119 .
- ^ Данлэп Дж.К., Лорос Дж.Дж., Колот Х.В., Мехра А., Белден У.Дж., Ши М., Хонг С.И., Ларрондо Л.Ф., Бейкер К.Л., Чен Чен, Швердтфегер С., Коллопи П.Д., Гэмсби Дж.Дж., Ламбрехтс Р. (2007). «Циркадные часы Neurospora: как гены и белки взаимодействуют, создавая устойчивый, податливый и компенсированный биологический осциллятор с периодом около суток» . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 72 : 57–68. дои : 10.1101/sqb.2007.72.072 . ПМЦ 3683860 . ПМИД 18522516 .
- ^ Jump up to: а б с д Санчес С.Е., Кей С.А. (декабрь 2016 г.). «Циркадные часы растений: от простого хронометриста до сложного менеджера по развитию» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 8 (12): а027748. doi : 10.1101/cshperspect.a027748 . ПМК 5131769 . ПМИД 27663772 .
- ^ Джонсон CH, Мори Т, Сюй Ю (сентябрь 2008 г.). «Цианобактериальный циркадный механизм» . Современная биология . 18 (17): Р816–Р825. дои : 10.1016/j.cub.2008.07.012 . ПМЦ 2585598 . ПМИД 18786387 .
- ^ Шередос Б (2013). «Научные диаграммы как следы группового познания: краткий когнитивно-исторический анализ» . Труды ежегодного собрания Общества когнитивных наук . 35 (35).
- ^ Кодзима С., Шингл Д.Л., Green CB (февраль 2011 г.). «Посттранскрипционный контроль циркадных ритмов» . Журнал клеточной науки . 124 (Часть 3): 311–20. дои : 10.1242/jcs.065771 . ПМК 3021995 . ПМИД 21242310 .
- ^ Херли Дж. М., Лорос Дж. Дж., Данлэп Дж. К. (октябрь 2016 г.). «Циркадные осцилляторы: вокруг петли обратной связи транскрипции-трансляции и далее к выводу» . Тенденции биохимических наук . 41 (10): 834–846. дои : 10.1016/j.tibs.2016.07.009 . ПМК 5045794 . ПМИД 27498225 .
- ^ Браун С.А., Ковальска Э., Даллманн Р. (март 2012 г.). «(Повторное) изобретение циркадной петли обратной связи» . Развивающая клетка . 22 (3): 477–87. дои : 10.1016/j.devcel.2012.02.007 . ПМИД 22421040 .