ТОС1 (ген)
| Время CAB-выражения 1 | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Организм | |||
| Символ | 1 апрель | ||
| Альт. символы | TOC1, AtTOC1, MFB13.13, РЕГУЛЯТОР ПСЕВДООТВЕТА 1 | ||
| Входить | 836259 | ||
| RefSeq (мРНК) | НМ_125531.3 | ||
| RefSeq (защита) | НП_200946.1 | ||
| ЮниПрот | Q9LKL2 | ||
| Другие данные | |||
| хромосома | 5: 24,69 - 24,7 Мб | ||
| |||
| toc1 | |
|---|---|
| Ген | |
| Количество экзонов | 6 |
| Количество интронов | 5 |
| Размер | 3,49 КБ |
| мРНК | |
| размер | 2713 б.п. |
| Белок | |
| Молекулярный вес | 69,2 кДа |
| пи | 7.5 |
| Аминокислоты | 618 |
| Расположение в Арабидопсисе | |
| хромосома | 5 |
| Расстояние | 79,0 см |
| Локус-тег | AT5G61380 |
Время экспрессии CAB 1 — это белок , который у Arabidopsis thaliana кодируется TOC1 геном . TOC1 также известен как двухкомпонентный регулятор ответа, подобный APRR1 .
TOC1 был первым растительным геном, мутация которого привела к циркадному фенотипу. Он кодирует транскрипционный фактор растений TOC1, который влияет на период циркадных ритмов : встроенные, податливые колебания, которые повторяются каждые 24 часа. Ген кодирует репрессор транскрипции TOC1, один из пяти регуляторов псевдоответа (PRR), которые опосредуют период циркадных часов у растений. Белок TOC1 участвует в вечерней петле часов, которая является репрессилятором , непосредственно ингибирующим транскрипцию генов утренней петли LHY и CCA1 . [ 1 ] Ген Toc1 экспрессируется в большинстве растительных структур и клеток и имеет локус на хромосоме 5. [ 2 ]
Исторический контекст
[ редактировать ]Открытие
[ редактировать ]Ген TOC1 был первоначально обнаружен профессором Эндрю Милларом и его коллегами в 1995 году, когда Миллар был аспирантом. Миллар разработал инновационный метод прямого генетического скрининга, в котором он связал биолюминесцентный репортер, светлячок ( люциферазу ), с экспрессией CAB (белок, связывающий хлорофилл-a,b — см. Светособирающие комплексы зеленых растений ) у арабидопсиса . Измеряя биолюминесценцию в течение дня, Миллар обнаружил, что экспрессия CAB демонстрирует колебательные паттерны при постоянном освещении и колеблется с более коротким периодом у мутантных растений toc1. Он также сопоставил ген toc1 с хромосомой 5. Эти методы и открытия были опубликованы и помещены на обложке журнала Science в феврале 1995 года. [ 3 ]
Частично потому, что первоначальные исследования часовых генов были проведены у дрозофилы в 1970-х годах, а затем у млекопитающих, первоначально считалось, что циркадные часы растений функционируют аналогично часам млекопитающих. У млекопитающих положительные и отрицательные регуляторные элементы действуют в петлях обратной связи, управляя циркадными колебаниями; а именно, гены Per и Cry активируются положительными элементами CLOCK и BMAL для производства белков, которые при фосфорилировании действуют как отрицательные элементы, ингибируя активирующую функцию комплекса CLOCK:BMAL. Таким образом, Пер и Крик подавляют собственную транскрипцию. [ 4 ] [ 5 ]
Напротив, группа Миллара обнаружила, что белок TOC1 является негативным регулятором, а растительные часы лучше моделировать как репрессилятор — систему, в которой один ген подавляет другой и, в свою очередь, подавляется следующим, образуя взаимозависимый, колеблющийся ген. сеть. Этот результат был достигнут благодаря 1) мутантам арабидопсиса с конститутивной (всегда включенной) экспрессией гена toc1 , которая показала снижение содержания мРНК как в генах утренней петли prr7 и 9, cca1, так и в генах lhy и вечерней петли gi и elf4; и 2) растения с мутациями в toc1 и растения, у которых РНКи использовалась для нокаута toc1. Эти мутанты без функционального toc1 показали продвинутую фазу lhy, что указывает на меньшую репрессию в отсутствие белка TOC1. [ 6 ]
Исследование Карла Страйера и его коллег показало, что участие в транскрипции гена toc1 сокращает циркадные ритмы в постоянной темноте в дополнение к постоянному свету, и что TOC1 регулируется циркадно и участвует в регуляции собственной петли обратной связи. [ 7 ]
Эволюционная история
[ редактировать ]- Гомологи
Гомологи TOC1 были обнаружены в кресс-салате , капусте , папайе , огурце , клубнике , сое , лотосе , яблоке , персике , тополе западном ( populus ), клещевине , томатах , картофеле , виноградной лозе и нуте . [ 8 ]
- Полиморфизмы
обнаружен 21 полиморфизм У Arabidopsis , включая замены, инсерции и делеции. [ 2 ]
Характеристики белка
[ редактировать ]Структурные мотивы
[ редактировать ]Как и другие четыре белка PRR, обнаруженные у Arabidopsis псевдорецептора (PR) , TOC1 расположен в ядре и использует домен на N-конце и домены CONSTANS, CONSTANS-LIKE и TOC1 (CCT) на C-конце. . [ 1 ] Через свой домен CCT TOC1 способен напрямую связывать ДНК , а домен PR отвечает за активность репрессии транскрипции. [ 9 ]
Функции и взаимодействия
[ редактировать ]TOC1 связывается с областями промотора G-box и EE-мотива генов, участвующих как в утренних, так и в вечерних петлях обратной связи транскрипции-трансляции, которые управляют циркадными часами растений; эти гены включают PRR7 и 9, CCA1 и LHY в утренней петле обратной связи и GI и ELF4 в вечерней петле. Дискретная индукция экспрессии гена TOC1 приводит к снижению экспрессии CCA1 и PRR9, что указывает на то, что TOC1 играет скорее репрессивную, чем стимулирующую роль в регуляции экспрессии циркадных генов. [ 6 ] Репрессия генов утренней петли lhy и cca1 была предсказана с помощью компьютерного моделирования и стала доказательством, необходимым для переопределения роли toc1 в растительных часах как части модели репрессилятора с тройным отрицательным компонентом , а не системы положительных/отрицательных элементов тот, который наблюдается у млекопитающих. [ 10 ]
Характер связывания домена CCT TOC1 демонстрирует циркадные колебания с максимальным связыванием с G-box и мотивами EE — промоторными областями, которые связывают факторы транскрипции, — происходящими в CT15 в раннюю субъективную ночь растения. [ 9 ] Через потерю ритмов связывания у мутантов Arabidopsis с конститутивной экспрессией TOC1 было показано, что колебания связывания TOC1 регулируются количеством белка. [ 6 ]
TOC1 также, по-видимому, участвует в петле обратной связи с абсцизовой кислотой , ключевым растительным гормоном, участвующим в развитии и реакции на стресс. Растения Arabidopsis , к которым применялись различные количества АБК, показали соответствующие различия в экспрессии TOC1 и продолжительности циркадного периода. С помощью компьютерного моделирования этой петли обратной связи было показано, что TOC1 оказывает влияние на паттерны открытия и закрытия стомы , которые традиционно описываются как процесс, в основном регулируемый ABA. [ 11 ]
Посттрансляционные модификации
[ редактировать ]В течение циркадного цикла TOC1 дифференциально фосфорилируется , причем пик фосфорилирования приходится на ночь. [ 1 ] В высокофосфорилированном состоянии TOC1 имеет более высокую аффинность связывания с белком F-бокса ZEITLUPE (ZTL). [ 1 ] Помимо контроля взаимодействий TOC1-ZTL, фосфорилирование N-конца белка TOC1 увеличивает взаимодействие с PRR3, одним из пяти белков PRR, обнаруженных у Arabidopsis . [ 1 ] В исследованиях с мутантами ztl-1, которые имеют единственную миссенс-мутацию в домене kelch белка и эффективно вызывают нулевую мутацию ztl , было обнаружено, что белок TOC1 стабилизируется, а циклирование TOC1 в значительной степени устраняется. [ 1 ] Хотя фосфорилирование белка TOC1 стабилизирует взаимодействие с ZTL, оно также увеличивает сродство TOC1 к PRR3. [ 1 ] Это в конечном итоге защищает TOC1 от деградации, опосредованной ZTL. [ 1 ] PRR3 действует как конкурентный ингибитор взаимодействия ZTL-TOC1, поскольку связывание TOC1 с PRR3 приводит к снижению доступности субстрата TOC1 для ZTL-зависимой деградации. [ 1 ] Это приводит к увеличению амплитуды циклирования TOC1, подразумевая, что стабильный цикл TOC1 зависит от деградации ZTL в дополнение к контролю регуляции транскрипции. [ 1 ]
Сельскохозяйственное использование
[ редактировать ]Чтобы наиболее эффективно использовать ресурсы окружающей среды, такие как свет, растения обычно синхронизируют свои циркадные ритмы в соответствии с периодом окружающей среды. В исследовании, опубликованном в 2005 году, было показано, что растения, циркадный период которых совпадает с периодом цикла света и темноты в окружающей среде, увеличивают фотосинтез и рост. [ 12 ] Используя эти знания, ботаники могут воспользоваться мутацией гена toc1, которая, как было показано, сокращает период жизни растения. Вполне вероятно, что эти мутанты toc1 можно легко использовать для получения растений за более короткое время и с меньшими затратами энергии.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Фудзивара С., Ван Л., Хан Л., Су С.С., Саломе П.А., МакКлунг Ч.Р., Сомерс Д.Э. (август 2008 г.). «Посттрансляционная регуляция циркадных часов Arabidopsis посредством селективного протеолиза и фосфорилирования белков-регуляторов псевдоответа» . Ж. Биол. Хим . 283 (34): 23073–83. дои : 10.1074/jbc.M803471200 . ПМИД 18562312 .
- ^ Jump up to: а б «Локус: AT5G61380» . Информационный ресурс арабидопсиса . Университет штата Огайо.
- ^ Миллар А.Дж., Карре И.А., Страйер Калифорния, Чуа Н.Х., Кей С.А. (февраль 1995 г.). «Мутанты циркадных часов у Arabidopsis, выявленные с помощью визуализации люциферазы». Наука . 267 (5201): 1161–3. Бибкод : 1995Sci...267.1161M . дои : 10.1126/science.7855595 . ПМИД 7855595 . S2CID 1227876 .
- ^ Ко Ч., Такахаши Дж. С. (октябрь 2006 г.). «Молекулярные компоненты циркадных часов млекопитающих» . Хм. Мол. Жене . 15 Спецификация № 2: R271–7. дои : 10.1093/hmg/ddl207 . ПМЦ 3762864 . ПМИД 16987893 .
- ^ Бур ЭД, Такахаши Дж.С. (2013). «Молекулярные компоненты циркадных часов млекопитающих». Циркадные часы . Справочник по экспериментальной фармакологии. Том. 217. стр. 3–27. дои : 10.1007/978-3-642-25950-0_1 . ISBN 978-3-642-25949-4 . ПМЦ 3762864 . ПМИД 23604473 .
- ^ Jump up to: а б с Хуанг В., Перес-Гарсиа П., Похилко А., Миллар А.Дж., Антошечкин И., Рихманн Х.Л., Мас П. (апрель 2012 г.). «Картирование ядра циркадных часов Arabidopsis определяет сетевую структуру осциллятора» (PDF) . Наука . 336 (6077): 75–9. Бибкод : 2012Sci...336...75H . дои : 10.1126/science.1219075 . hdl : 10261/47607 . ПМИД 22403178 . S2CID 28750899 .
- ^ Страйер С., Ояма Т., Шульц Т.Ф., Раман Р., Сомерс Д.Э., Мор П., Панда С., Крепс Дж.А., Кей С.А. (август 2000 г.). «Клонирование часового гена Arabidopsis TOC1, гомолога регулятора ауторегуляторного ответа». Наука 289 (5480): 768–71. Бибкод : 2000Sci...289..768S . дои : 10.1126/science.289.5480.768 . ПМИД 10926537 . S2CID 46073530 .
- ^ «AT5G61380 Поиск локуса» . База данных дублирования генома растений . Университет Джорджии.
- ^ Jump up to: а б Гендрон Дж.М., Прнеда-Пас Дж.Л., Доэрти С.Дж., Гросс А.М., Канг С.Е., Кей С.А. (февраль 2012 г.). «Белок циркадных часов арабидопсиса, TOC1, представляет собой ДНК-связывающий фактор транскрипции» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 109 (8): 3167–72. Бибкод : 2012PNAS..109.3167G . дои : 10.1073/pnas.1200355109 . ПМК 3286946 . ПМИД 22315425 .
- ^ Похилко А., Фернандес А.П., Эдвардс К.Д., Саузерн ММ, Холлидей К.Дж., Миллар А.Дж. (2012). «Цепь часового гена Arabidopsis включает в себя репрессилятор с дополнительными петлями обратной связи» . Мол. Сист. Биол . 8 : 574. дои : 10.1038/msb.2012.6 . ПМК 3321525 . ПМИД 22395476 .
- ^ Похилко А., Мас П., Миллар А.Дж. (2013). «Моделирование широко распространенного воздействия передачи сигналов TOC1 на циркадные часы растений и их результаты» . BMC Сист Биол . 7:23 . дои : 10.1186/1752-0509-7-23 . ПМЦ 3614443 . ПМИД 23506153 .
- ^ Додд А.Н., Салатия Н., Холл А, Кевей Э., Тот Р., Надь Ф., Хибберд Дж.М., Миллар А.Дж., Уэбб А.А. (июль 2005 г.). «Циркадные часы растений увеличивают фотосинтез, рост, выживаемость и конкурентное преимущество». Наука . 309 (5734): 630–3. Бибкод : 2005Sci...309..630D . дои : 10.1126/science.1115581 . ПМИД 16040710 . S2CID 25739247 .