科學(xué)家在試管中組裝生物鐘以研究其工作原理

我們生理學(xué)的幾乎每個(gè)方面的日常周期都是由我們細(xì)胞中的生物鐘(也稱為生物鐘)驅(qū)動(dòng)的。時(shí)鐘蛋白的周期性相互作用使生命的生物節(jié)律與晝夜交替，這不僅發(fā)生在人類和其他復(fù)雜的動(dòng)物身上，甚至發(fā)生在簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生物中，如藍(lán)藻。

一組科學(xué)家現(xiàn)在在試管中重建了藍(lán)藻的生物鐘，使他們能夠?qū)崟r(shí)研究生物鐘蛋白的節(jié)律相互作用，并了解這些相互作用如何使生物鐘能夠控制基因表達(dá)。加州大學(xué)圣克魯斯分校、加州大學(xué)默塞德分校和加州大學(xué)圣地亞哥分校三個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作開展了這項(xiàng)研究，該研究于 10 月 8 日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

加州大學(xué)圣克魯斯分?；瘜W(xué)和生物化學(xué)教授 Carrie Partch 說：“從頭開始重建像生物鐘這樣復(fù)雜的生物過程確實(shí)幫助我們了解生物鐘蛋白質(zhì)如何協(xié)同工作，并將有助于更深入地了解晝夜節(jié)律。”和該研究的通訊作者。

Partch 指出，從藍(lán)藻到人類，生物鐘的分子細(xì)節(jié)非常相似。擁有一個(gè)可以在試管(“體外”)而不是活細(xì)胞(“體內(nèi)”)中研究的功能時(shí)鐘為探索時(shí)鐘的機(jī)制及其如何響應(yīng)變化提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。該團(tuán)隊(duì)在活細(xì)胞中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)他們的體外結(jié)果與生物鐘在活藍(lán)細(xì)菌中的運(yùn)作方式一致。

“這些結(jié)果非常令人驚訝，因?yàn)轶w外結(jié)果與體內(nèi)觀察結(jié)果有些不一致是很常見的。與體外更簡(jiǎn)單的條件形成鮮明對(duì)比的是，活細(xì)胞的內(nèi)部非常復(fù)雜，”加州大學(xué)默塞德分?；瘜W(xué)和生物化學(xué)教授、該論文的通訊作者 Andy LiWang 說。

這項(xiàng)新研究建立在研究人員之前的工作基礎(chǔ)上，他們?cè)?2005 年重建了藍(lán)藻晝夜節(jié)律振蕩器，時(shí)鐘的基本 24 小時(shí)計(jì)時(shí)循環(huán)。振蕩器由三個(gè)相關(guān)的蛋白質(zhì)組成：KaiA、KaiB 和 KaiC。在活細(xì)胞中，來自振蕩器的信號(hào)通過其他蛋白質(zhì)傳輸，以控制晝夜節(jié)律中基因的表達(dá)。

除了振蕩器蛋白之外，新的體外時(shí)鐘還包括兩種激酶蛋白(SasA 和 CikA)，它們的活性通過與振蕩器相互作用而改變，以及 DNA 結(jié)合蛋白 (RpaA) 及其 DNA 靶標(biāo)。

“SasA 和 CikA 分別激活和停用 RpaA，使其有節(jié)奏地結(jié)合和解綁 DNA，”LiWang 解釋說。“在藍(lán)藻中，這種在其基因組中 100 多個(gè)不同位點(diǎn)的有節(jié)奏的結(jié)合和解除結(jié)合會(huì)激活和停用對(duì)健康和生存很重要的許多基因的表達(dá)。”

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