معلومة

ما هي آلية تنظيم جينات PER / CRY؟

ما هي آلية تنظيم جينات PER / CRY؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد قرأت أوصافًا متعددة للساعات البيولوجية / اليومية وجميعها تذكر جينات PER و CRY و CLOCK. بينما أحصل على كيفية ارتباطهم ببعضهم البعض ، ما يثير اهتمامي هو كيف ينظم كل منهما الآخر. هل تقوم هذه الجينات بترميز البروتينات التي كانت ترتبط في السابق بالحمض النووي وتغطي مواقع النسخ للجينات الأخرى(مثل بروتين PER الذي يغطي موقع ربط CRY)؟

الكثير من المخططات والأوصاف للعملية معقدة للغاية ، وسأقدر إجابة بسيطة (إن وجدت).


تقدم ويكيبيديا شرحًا جيدًا جدًا لهذا الأمر ، على صفحة النواة فوق التصالبية.

على سبيل المثال ، في ذبابة الفاكهة ، يتم التحكم في إيقاع الساعة البيولوجية الخلوية في الخلايا العصبية من خلال حلقتين متشابكتين للتغذية الراجعة.

في الحلقة الأولى ، تدفع ساعة عوامل النسخ bHLH (CLK) والدورة (CYC) نسخ فترة المثبطات (PER) والخالدة (TIM). ثم تتراكم بروتينات PER و TIM في السيتوبلازم ، وتنتقل إلى النواة ليلًا ، وتوقف النسخ الخاصة بها ، وبالتالي إعداد تذبذب لمدة 24 ساعة للنسخ والترجمة. في الحلقة الثانية ، يتم بدء عوامل النسخ vrille (VRI) و Pdp1 بواسطة CLK / CYC. يعمل PDP1 بشكل إيجابي على نسخ CLK وسلبيًا على VRI. تقوم هذه الجينات بترميز عوامل النسخ المختلفة التي تؤدي إلى التعبير عن البروتينات الأخرى. تنتمي منتجات الساعة والدورة ، المسماة CLK و CYC ، إلى الفصيلة الفرعية المحتوية على PAS لعائلة عوامل النسخ الأساسية الحلزونية الحلزونية (bHLH) ، وتشكل مغايرًا مغايرًا. يبدأ هذا المغير المتغاير (CLK-CYC) نسخ PER و TIM ، اللذين تتناقص نواتجهما البروتينية ثم تثبطان تعبيرهما عن طريق تعطيل النسخ بوساطة CLK-CYC. تعطي آلية التغذية الراجعة السلبية إيقاعًا لمدة 24 ساعة في التعبير عن جينات الساعة. يُشتبه في أن العديد من الجينات مرتبطة بالتحكم اليومي بواسطة "عناصر E-box" في محفزاتها ، حيث يرتبط CLK-CYC ومثيلاته بهذه العناصر.

يمكن إعادة ضبط إيقاع 24 ساعة عن طريق الضوء عبر بروتين الكريبتوكروم (CRY) ، الذي يشارك في استقبال الضوء اليومي في ذبابة الفاكهة. ترتبط CRY بـ TIM بطريقة تعتمد على الضوء تؤدي إلى تدمير TIM. بدون وجود TIM لتحقيق الاستقرار ، يتم تدمير PER في النهاية خلال النهار. نتيجة لذلك ، يتم تقليل قمع CLK-CYC وإعادة بدء الدورة بأكملها مرة أخرى. (http://en.wikipedia.org/wiki/Suprachiasmatic_nucleus#Fruitfly)

النواة فوق التصالبة (SCN) هي جزء صغير من دماغنا يستقر في المركز. يحافظ على ساعة بيولوجية من خلال دورة التعبير الجيني في الخلايا العصبية الفردية. آلية الإنسان تشبه إلى حد بعيد آلية ذباب الفاكهة ، كما هو موضح أعلاه ، ولكن لإعادة الصيد قليلاً ...

يوجد في نموذج ذبابة الفاكهة خمسة لاعبين: CLK و CYC و PER و TIM و CRY.

CLK و CYC هي عوامل نسخ لـ PER و TIM ، وترتبط بمروجيها من أجل تنشيط التعبير عن PER و TIM.

عندما يرتفع مستوى تعبير PER و TIM للغاية ، تعود بروتينات PER و TIM إلى النواة ، وتمنع عوامل النسخ الخاصة بها (CLK و CYC) من خلال التفاعلات الجزيئية.

يعتبر بروتين CRY حساسًا للضوء ، وبالتالي فإن ضوء النهار (أو الضوء الاصطناعي) سوف يتسبب في تدمير CRY لبروتينات TIM. بدون TIM ، لم نعد نحصل على ثنائيات PER-TIM التي تمنع عوامل النسخ CLK-CYC.

في البشر والثدييات الأخرى نفس المفهوم ، ولكن مع لاعبين مختلفين قليلاً (على سبيل المثال ، الجينات المتماثلة).

المهم هنا هو أن لدينا ساعة بيولوجية على المستوى الخلوي. لم نتطرق إلى كيفية استخدام هذه الساعة بعد ... ولكن ، أفهم أن SCN تستخدم المعلومات لإخبار الغدة الصنوبرية بموعد إنتاج الميلاتونين.

يجعلنا الميلاتونين نشعر بالنعاس ، ويخفض درجة حرارة أجسامنا ، ويجعلنا ننام.

يمكنك أن ترى دورة أخرى في العمل هنا - درجة حرارة الجسم ، التي ترتفع مع اليقظة ، وتنخفض مع النوم.

يعطي هذا إجابة أكثر عمومية حول كيفية استخدام إيقاعات الساعة البيولوجية للتأثير على دورة نومنا. كان سؤالك هو كيف تنظم الجينات المشاركة في إيقاعات الساعة البيولوجية بعضها البعض. الجواب هو حلقة التعليقات السلبية لترجمة النسخ الموصوفة أعلاه.

أتمنى أن يساعدك هذا…


الساعة البيولوجية للثدييات

تستكشف هذه الرسوم المتحركة التفاعلات الجزيئية التي تنظم إيقاعات الساعة البيولوجية في الثدييات.

تمتلك معظم الكائنات الحية إيقاعات الساعة البيولوجية ، وهي عمليات بيولوجية تعمل على مدار 24 ساعة. يتم تنظيم هذه الإيقاعات بواسطة آلية ضبط الوقت الداخلية تسمى الساعة البيولوجية. تستكشف الرسوم المتحركة سلسلة من البروتينات التي يتم التعبير عنها دوريًا والتي تحافظ على الساعة البيولوجية في الثدييات.

تبدأ الرسوم المتحركة بتقديم فترة (لكل) و كريبتكروم (بكاء) ، الجينات التي يتم تنشيطها بواسطة عوامل النسخ BMAL و CLOCK. تشكل بروتينات PER و CRY الناتجة هياكل يمكنها منع تنشيط BMAL و CLOCK ، مما يخلق حلقة ردود فعل سلبية. تتحلل بروتينات PER و CRY في النهاية ، وتبدأ الدورة مرة أخرى.

يقدم القسم التالي من الرسم المتحرك بروتينًا آخر ، وهو الكازين كيناز 1 إبسيلون (CK1ε) ، والذي يمكنه تسريع تدهور PER. يوضح الرسم المتحرك كيف أن الطفرة في CK1ε تسمى تاو طفرة ، يضعف قدرته على تدهور PER ويطيل في نهاية المطاف الفترة اليومية.

هذه الرسوم المتحركة هي مقطع من سلسلة محاضرات أعياد 2000 ، جينات آلية الساعة: الاكتشافات في الوقت البيولوجي. اعتمادًا على خلفية الطلاب ، قد يكون من المفيد إيقاف الرسوم المتحركة مؤقتًا في نقاط مختلفة لمناقشة البروتينات المختلفة أو أجزاء من مسار الساعة البيولوجية.


محتويات

جين الفترة وثلاثة طفرات (لكل S. , لكل لتر ، و لكل 0 ) في شاشة التطفير EMS بواسطة رونالد كونوبكا وسيمور بينزر في عام 1971. [3] لكل S. , لكل لتر ، و لكل 0 تم العثور على الطفرات لا تكمل بعضها البعض ، لذلك استنتج أن الأنماط الظاهرية الثلاثة كانت بسبب طفرات في نفس الجين. [3] اكتشاف الطفرات التي غيرت فترة إيقاعات الساعة البيولوجية في التآكل والنشاط الحركي (لكل S. و لكل لتر ) يشير إلى دور الجين الواحد في الساعة نفسها وليس مسار الإخراج. تم تحديد تسلسل جين الفترة لأول مرة في عام 1984 بواسطة مايكل روسباش وزملاؤه. [4] في عام 1998 ، تم اكتشاف ذلك لكل ينتج نسختين (تختلف فقط عن طريق التضفير البديل لإنترون واحد غير مترجم) وكلاهما يشفر البروتين PER. [5]

الساعة اليومية تحرير

في ذبابة الفاكهة, لكل تتأرجح مستويات الرنا المرسال خلال فترة 24 ساعة تقريبًا ، وتبلغ ذروتها خلال الليل الذاتي المبكر. [1] إن لكل يتأرجح المنتج PER أيضًا مع فترة 24 ساعة تقريبًا ، ويبلغ ذروته بعد حوالي ست ساعات لكل مستويات mRNA خلال منتصف الليل الشخصي. [6] [ بحاجة لمصدر ] عندما تزيد مستويات PER ، تثبيط لكل يزيد النسخ ، ويقلل من مستويات البروتين. ومع ذلك ، نظرًا لأن بروتين PER لا يمكنه الارتباط مباشرة بالحمض النووي ، فإنه لا يؤثر بشكل مباشر على النسخ الخاص به بدلاً من ذلك ، فهو يثبط منشطاته الخاصة. [7] بعد أن يتم إنتاج PER من لكل mRNA ، فإنه يتضاءل مع Timeless (TIM) ويذهب المركب إلى النواة ويثبط عوامل النسخ لـ لكل و تيم، مغاير CLOCK / CYCLE. [7] يعمل مجمع CLOCK / CYCLE هذا كمنشط نسخي لـ لكل و تيم من خلال الارتباط بمحسنات معينة (تسمى الصناديق الإلكترونية) لمروّجيها. [7] [8] لذلك ، يخفض تثبيط CLK / CYC لكل و تيم مستويات mRNA ، والتي بدورها تخفض مستويات PER و TIM. [7] الآن ، الكريبتوكروم (CRY) هو بروتين حساس للضوء يمنع TIM في وجود الضوء. [9] عندما لا يكون TIM معقدًا مع PER ، أو بروتين آخر ، أو doubleletime ، أو DBT ، فإن الفوسفوريلات PER تستهدفه للتحلل. [10]

في الثدييات ، لوحظ وجود حلقة ردود فعل سلبية مماثلة للنسخ والترجمة. [11] تمت ترجمته من المتماثلات الثلاثة للثدييات في drosophila-per ، وهو واحد من ثلاثة بروتينات PER (PER1 و PER2 و PER3) يتضاءل عبر مجال PAS الخاص به بواحد من اثنين من بروتينات الكريبتوكروم (CRY1 و CRY2) لتشكيل عنصر سلبي من ساعة. [11] ينتقل مركب PER / CRY هذا إلى النواة عند الفسفرة بواسطة CK1-epsilon (الكازين كيناز 1 إبسيلون) ويمنع المغير المتغاير CLK / BMAL1 ، وهو عامل النسخ المرتبط بالصناديق الإلكترونية للمروجين الثلاثة لكل واثنين من خلال مجالات ربط الحمض النووي الحلزونية الحلزونية الأساسية (BHLH). [11]

تلعب جينات الفترة الأولى والثانية في الثدييات أدوارًا رئيسية في التدريب الضوئي للساعة البيولوجية على نبضات الضوء. [12] [13] شوهد هذا لأول مرة في عام 1999 عندما أكياما وآخرون. أظهر أن mPer1 ضروري لتحولات الطور التي يسببها الضوء أو إطلاق الغلوتامات. [12] بعد ذلك بعامين ، ألبرشت وآخرون. وجدوا دليلًا جينيًا يدعم هذه النتيجة عندما اكتشفوا أن طفرات mPer1 غير قادرة على دفع الساعة استجابةً لنبض ضوء في وقت متأخر من الليل (ZT22) وأن طفرات mPer2 غير قادرة على تأخير الساعة استجابةً لضوء الليل المبكر نبض (ZT14). [13] وبالتالي ، فإن mPer1 و mPer2 ضروريان لإعادة ضبط الساعة اليومية يوميًا على إشارات الضوء البيئية العادية. [13]

لكل كما تم التورط في تنظيم العديد من عمليات الإخراج للساعة البيولوجية ، بما في ذلك نشاط التزاوج [14] واستجابة الإجهاد التأكسدي ، [15] من خلال لكل تجارب الطفرات والضربة القاضية.

ذبابة الفاكهة سوداء البطن له تباين يحدث بشكل طبيعي في تكرارات Thr-Gly ، التي تحدث على طول خط العرض. تم العثور على الذباب مع تكرار 17 Thr-Gly بشكل أكثر شيوعًا في جنوب أوروبا و 20 تكرار Thr-Gly تم العثور عليها بشكل أكثر شيوعًا في شمال أوروبا. [16]

تحرير غير الساعة البيولوجية

بالإضافة إلى وظائفها اليومية ، لكل كما تم التورط في مجموعة متنوعة من العمليات الأخرى غير اليومية.

يلعب جين فترة الثدييات 2 دورًا رئيسيًا في نمو الورم في الفئران ذات الضربة القاضية mPer2 التي تظهر زيادة كبيرة في تطور الورم وانخفاض كبير في موت الخلايا المبرمج. [17] يُعتقد أن هذا ناتج عن إلغاء تنظيم الساعة البيولوجية mPer2 للجينات الشائعة لقمع الورم وتنظيم دورة الخلية ، مثل سايكلين D1, سيكلين أ, مدم -2، و جد 45 α، وكذلك عامل النسخ ج- myc، والتي يتم التحكم فيها مباشرة من قبل المنظمين الساعة البيولوجية من خلال ردود الفعل بوساطة صندوق البريد الإلكتروني. [17] بالإضافة إلى ذلك ، تُظهر الفئران المطلقة من mPer2 حساسية متزايدة لإشعاع جاما وتطور الورم ، مما يزيد من تورط mPer2 في تطور السرطان من خلال تنظيمه لمسارات تستجيب لتلف الحمض النووي. [17] وبالتالي ، فإن التحكم بالساعة البيولوجية للجينات التي تسيطر عليها الساعة والتي تعمل في التحكم في نمو الخلايا والاستجابة لتلف الحمض النووي قد تؤثر على تطور السرطان في الجسم الحي. [17]

لكل لقد ثبت أنه ضروري وكافٍ لتكوين الذاكرة طويلة المدى (LTM) في ذبابة الفاكهة سوداء البطن. لكل تظهر المسوخات أوجه قصور في تكوين LTM التي يمكن إنقاذها بإدخال a لكل التحوير وتعزيزه مع الإفراط في التعبير عن لكل الجين. [18] هذه الاستجابة غائبة في طفرات جينات الساعة الأخرى (خالدة, ديكلوك، و دورة). [18] تشير الأبحاث إلى أن انتقال متشابك من خلال لكل-تعبير الخلايا ضروري لاسترجاع LTM. [18]

لكل وقد ثبت أيضًا أنه يطيل عمر ذبابة الفاكهة ، مما يشير إلى دورها في الشيخوخة. [19] ومع ذلك ، لا تزال هذه النتيجة مثيرة للجدل ، حيث لم يتم تكرار التجارب بنجاح من قبل مجموعة بحثية أخرى.

في الفئران ، ثبت أن هناك صلة بين تناول الكحول المفضل. [20] كما تم ربط استهلاك الكحول بتقصير فترة الجري الحر. [21] تأثير إدمان الكحول على الجينات per1 و per2 قد ارتبط أيضًا بالاكتئاب المرتبط بالكحول بالإضافة إلى استعداد الفرد للانتكاس إلى إدمان الكحول. [21]

في الثدييات ، هناك ثلاثة جينات معروفة من عائلة PER: PER1 و PER2 و PER3. تحتوي الساعة الجزيئية للثدييات على متماثلات للبروتينات الموجودة فيها ذبابة الفاكهة. يلعب متماثل CLOCK نفس الدور في الساعة البشرية ، ويتم استبدال CYC بـ BMAL1. [7] لدى CRY متماثلان بشريان ، CRY1 و CRY2. [22] تم تطوير نموذج حسابي للنموذج بواسطة جان كريستوف ليلوب وألبرت جولدبيتر لمحاكاة حلقة التغذية الراجعة الناتجة عن التفاعلات بين هذه البروتينات والجينات ، بما في ذلك لكل الجين وبروتين PER. [23]

تُظهر المتجانسات البشرية التسلسل وتشابه الأحماض الأمينية مع ذبابة الفاكهة Per وتحتوي أيضًا على مجال PAS وتسلسلات التوطين النووي التي تمتلكها ذبابة الفاكهة Per. يتم التعبير عن البروتينات البشرية بشكل إيقاعي في النواة فوق التصالبية وكذلك في المناطق خارج SCN. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن ذبابة الفاكهة PER تتحرك بين السيتوبلازم والنواة ، فإن الثدييات PER تكون مجزأة أكثر: mPer1 تتمركز بشكل أساسي في النواة و mPer2 إلى السيتوبلازم. [24]

الأهمية السريرية تحرير

متلازمة مرحلة النوم العائلية المتقدمة المعروف أنها مرتبطة بطفرات في جين Per2 للثدييات. الأشخاص الذين يعانون من هذا الاضطراب لديهم فترة أقصر ومرحلة متقدمة حيث يذهبون للنوم في وقت مبكر من المساء (حوالي الساعة 7 مساءً) ويستيقظون قبل شروق الشمس (حوالي الساعة 4 صباحًا). في عام 2006 ، حدد مختبر في ألمانيا بقايا فوسفورية معينة من PER2 التي تحورت في الأشخاص الذين يعانون من FASPS. [25] يُستخدم العلاج الزمني أحيانًا كعلاج ، كمحاولة لتغيير مرحلة ساعة الفرد باستخدام دورات من الضوء الساطع.


نتائج ومناقشة

تنظيم الجينات في سياق العمليات البيولوجية

أظهرت مقارنة ملفات تعريف التعبير الجيني للأرجل التي تم التمرين عليها والتي لم يتم ممارستها أن 704 جينًا تم تنظيمها بشكل تفاضلي في 6 ساعات و 1،479 جينًا في 18 ساعة بعد RE (ص & lt 0.05). في الساق غير المتمرسة ، أظهرت مقارنة التعبير الجيني في الساعة 0800 و 2000 بنفس المعايير الإحصائية أن 608 جينًا تم تنظيمها بشكل تفاضلي.

استخدمنا MAPPFinder [28] لربط بيانات التعبير الجيني بالتسلسل الهرمي لعلم الجينات (GO) (الجدول 1). يحسب البرنامج درجة الأهمية (درجة Z) التي تكون مفيدة لترتيب مصطلحات GO من خلال الكميات النسبية لتغييرات التعبير الجيني (انظر المواد والأساليب). مع 40٪ من جينات إيقاع الساعة البيولوجية المصنفة حسب التسلسل الهرمي GO ، تغيرت بشكل ملحوظ في 6 ساعات بعد RE ، أظهر إيقاع الساعة البيولوجية أعلى درجة Z (Z = 7.17) في هذه المقارنة ، مما يشير إلى أن RE قد ينظم الجينات اليومية مباشرة في الساق التي تمارس (انظر أدناه). كما هو متوقع ، نظمت الطاقة المتجددة أيضًا مجموعة متنوعة من الجينات المشاركة في الاستجابات داخل الخلايا (استقلاب الحمض النووي ، وانتقال G2 / M لدورة الخلية الانقسامية ، ومكافحة موت الخلايا المبرمج ، والنسخ) والجينات غير المنظمة المشاركة في نقل الأكسجين والكالسيوم ، وإصلاح الحمض النووي ، وتنظيم بدء متعدية ، واستقلاب الجليكوجين (الجدول 1). تم تنظيم العديد من هذه العمليات بالمثل في نموذج الفئران للتعلم [8].

حدد تحليل MAPPFinder العديد من العمليات البيولوجية المتأثرة بتنظيم الجينات النهاري في hSkM ، بما في ذلك النسخ ، وتمايز الخلايا ، والاستجابة للإجهاد ، وتكوين الدم ، وتكوين الأورام ، والتخليق الحيوي للبروتين ، والتمثيل الغذائي (التمثيل الغذائي للكربوهيدرات ودورة حمض الكربوكسيل) (الجدول 1). توفر هذه النتائج أهدافًا جينية بشرية ترتبط بالتنظيم اليومي لعملية التمثيل الغذائي والسرطان التي تم الإبلاغ عنها مؤخرًا في نماذج الفئران [19 ، 20 ، 29-31].

مقارنة نهارية

تنظيم الجينات النهارية في hSkM: دليل على الجينات اليومية

التنظيم الكبير ل لكل 1 و بير 2 في مقارنتنا اليومية قدمت أول مؤشر على أن الجينات الـ 608 التي تغيرت بشكل كبير مع مرور الوقت تحتوي على جينات معروفة منظمة الساعة البيولوجية. لتصفية الضوضاء المحتملة في هذه المقارنة ولتحديد الجينات ذات الاحتمالية الأكبر للتنظيم بطريقة الساعة البيولوجية ، قمنا بمقارنة نتائجنا بالبيانات المنشورة حول تنظيم الجينات اليومية في الأنسجة المحيطية للفأر [19 ، 20]. أسفرت هذه المقارنات عن قائمة بـ 44 "جينة يومية مفترضة" تم تنظيمها بشكل كبير في كل من مجموعة بياناتنا اليومية البشرية وفي دراسات الفأر اليومية (الأشكال 1 ، 2). استخدمنا بعد ذلك RT-PCR الكمي لتحليل مستويات تعبير mRNA لـ 12 أخصائي تقويم للماوس في mSkM معزولين كل 4 ساعات لمدة 24 ساعة (الشكل 3).

مخططات فين للجينات البشرية التي تخضع للتنظيم النهاري مقارنة بأخصائيي تقويم الساعة البيولوجية للفأر. (أ) تم الإبلاغ عن مقارنة مع أخصائي تقويم الجينات اليومية للفأر في [19] (ب) مقارنة مع تقويم العظام الجيني للفأر الساعة البيولوجية الواردة في [20]. في المقارنة اليومية (0800 مقابل 2000 ساعة) ، تم تغيير 608 جينًا بشريًا بشكل ملحوظ (ص & lt 0.05) في الساق غير المتمرسة. تم تطبيق مرشح إحصائي إضافي (ص & lt 0.05 وتغير الطي المطلق & gt 20٪) نتج عنها قائمة من 239 جينًا منظمًا يوميًا (0800 مقابل 2000 ساعة) ، تمت مقارنتها بأطباء تقويم الفأر اليومي. يشير التظليل الرمادي إلى الجينات الممثلة في الشكل 2. الجينات المدرجة على يمين كل مخطط Venn هي تقاطع جميع الأنسجة الثلاثة (الأرقام الحمراء). mHrt s ، تقويم الفأر منظم في القلب [19] (ن = 462) mLvr s ، تقويم تقويم الفأر يخضع للتنظيم اليومي في الكبد [19] (ن = 575) mLvr p ، يتم تنظيم تقويم العظام للماوس يوميًا في الكبد [20] (ن = 335) mSCN p ، يتم تنظيم تقويم العظام للماوس في SCN [20] (ن = 337).

يتم تنظيم الجينات البشرية في المقارنة النهارية مع أطباء تقويم العظام الذين يعرضون تنظيم الساعة البيولوجية في قلب الفئران والكبد [19 ، 20] ، و SCN [20]. 608 منظم بشكل كبير (ص & lt 0.05) تعرضت جينات hSkM المحددة في المقارنة النهارية (0800 و 2000 ساعة) لمرشح إحصائي إضافي لتغيير الطية المطلقة & gt 20٪ (ن = 239) ومرتبطًا بأخصائيي تقويم العظام الذين تنظمهم الساعة البيولوجية بالماوس. يتم تمثيل 44 جينًا مفترضًا منظمًا على مدار الساعة البيولوجية hSkM في شكل مربعات وملونة في GenMAPP [57] باستخدام معايير ترشيح مختلفة. (أ) تم تلوين الجينات الـ 44 المفترضة hSkM المنظمة للساعة البيولوجية بواسطة ص القيم وعرض التغييرات أضعاف من المقارنة النهارية (0800 مقابل 2000 ساعة الساق غير المتمرن). (ب) تم تلوين الجينات الـ 44 المفترضة hSkM المنظمة للساعة البيولوجية بواسطة ص القيم وعرض التغييرات أضعاف من المقارنة 6 ساعات بعد RE. (ج) تم تلوين الجينات الـ 44 المفترضة hSkM المنظمة للساعة البيولوجية بواسطة ص القيم وعرض التغييرات أضعاف من 18 ساعة بعد مقارنة RE. تشير المربعات الحمراء والزرقاء والرمادية إلى زيادة كبيرة في التنظيم ، وتقليل التنظيم ، وعدم وجود تنظيم مهم ، على التوالي ، باستخدام ص- قيم التشدد المحددة في المفتاح لكل مقارنة. الأرقام الموجودة على يمين مربعات الجينات هي التغييرات الطية في المقارنة النهارية. L ، مروج للعنصر المستجيب للضوء E ، صندوق E (ساعة/بمال 1 المروجين). يُشار إلى المعلومات التقويمية على يسار مربعات الجينات: تم تنظيم تقويم تقويم الفأر يوميًا كما هو موصوف [19] في قلب الفأر أو الكبد ، على التوالي mLvr p و mSCN p ، تم تنظيم تقويم تقويم الفأر يوميًا كما هو موصوف [19] 20] في كبد الفأر أو SCN ، على التوالي.

تأكيد تنظيم الجين النهاري hSkM عن طريق تحليل mSkM. الوقت الحقيقي RT-PCR (المقارن Cتي الطريقة) على مجموع الحمض النووي الريبي المعزول من عضلات الفخذ الرباعية من النوع البري C57BL / 6J ، والتي تم جمعها في أوقات zeitgeber المحددة (ZT). (أ) الجينات التي لها مرحلة دوران مماثلة لتلك الموجودة في بمال 1، وهو جين رئيسي على مدار الساعة النهارية. (ب) الجينات التي لها مرحلة دوران مماثلة لمرحلة لكل 1 و بير 2. تم تطبيق ANOVA أحادي الاتجاه على جميع النقاط الزمنية وأكد وجود تأثير ذي دلالة إحصائية للوقت على مستويات التعبير الجيني (ص & lt 0.001 من أجل بمال 1 و قبعة ص & lt 0.05 لجميع الآخرين). من خلال تطبيع متوسط ​​قيمة الذروة إلى متوسط ​​قيمة الحوض الصغير (الذروة المقابلة لمدة 12 ساعة) ، تم حساب الزيادات التالية في التعبير الجيني: بمال 1 = 4.1, G0s2 = 7.0, صرخة 1 = 4.5, Nfil3 = 11.1, لكل 1 = 3.5, بير 2 = 13.0, ج / EBPb = 3.5, MyF6 = 3.3, Ier3 = 1.8, قبعة = 1.8 و جاد = 2.1. القيم تعني 6 SEM. جابده تم استخدامه باعتباره الجين المرجعي وأدرج كعنصر تحكم سلبي.

التنظيم اليومي لأخصائيي تقويم الفئران المختارين للجينات البشرية النهارية والجينات الأساسية للساعة البيولوجية

أشارت RT-PCR الكمي إلى أن الجينات الأساسية على مدار الساعة البيولوجية بمال 1, لكل 1، و بير 2 وعرض أخصائيو تقويم الماوس المختارون من 44 جينة يومية مفترضة تنظيم الساعة البيولوجية في mSkM (الشكل 3). كما قدم RT-PCR الكمي تفسيرًا محتملاً لعدم قدرتنا على اكتشاف تغيير كبير في التعبير عن جينات الساعة الأساسية التي تنظمها الساعة البيولوجية. صرخة 1 و بمال 1 في hSkM [19 ، 20] ، حيث تخرج هذه الجينات من المرحلة مع لكل 1 و بير 2 في mSkM (الشكل 3) وفي العديد من الأنسجة الأخرى ، بما في ذلك mLvr [19] و mHrt [19]. نظرًا لأنه تم قياس نقطتين زمنيتين فقط في العينات البشرية ، فإن الجينات التي تكون أوقات ذروتها وأوقاتها غير متوافقة مع أوقات أخذ العينات لدينا (على سبيل المثال ، صرخة 1 و بمال 1).

اكتشاف مثير للاهتمام هو ذلك لكل 1 و بير 2 يتم تنظيمها في الصباح في hSkM (الشكل 2) ، ويتم تنظيمها في الصباح في mSkM (الشكل 3 ب). لا يمكننا تحديد المرحلة الدقيقة للجينات التي يحتمل أن تنظم الساعة البيولوجية في hSkM بنقطتين زمنيتين فقط لأخذ العينات. ومع ذلك ، قد يعكس التنظيم المعاكس المرصود مراحل متعارضة من التعبير الجيني على مدار الساعة الأساسي بين الأنسجة الطرفية البشرية والفأرية. قد يوفر مزيد من الفحص لهذه الظاهرة تفسيرًا جزيئيًا للنشاط / دورات الراحة المعاكسة في الثدييات النهارية مقابل الثدييات الليلية.

اكتشاف ثلاثة جينات مفترضة محفوظة تنظم الساعة البيولوجية

لتحديد الجينات المحفوظة التي تنظمها الساعة البيولوجية ، تم اختيار ثلاثة أنسجة محيطية للمقارنة: mHrt [19] و mLvr [19 و 20] و hSkM. تم تنظيم أربعة جينات بشكل كبير في جميع الأنسجة الثلاثة: بير 2, Nr1d2 (الفئة الفرعية للمستقبلات النووية 1 ، المجموعة D ، العضو 2) ، هيربود 1 (محرض على الهوموسيستين ، شبكية إندوبلازمية محفزة للإجهاد ، عضو في مجال يشبه اليوبيكويتين 1) ، و Oazi (مثبطات أنزيم أورنيثين ديكاربوكسيلاز) (الأشكال 1 ، 2). بير 2 هو عنصر ساعة أساسي محفوظ جيدًا [18]]. بشر Nr1d2 (القس إيربβ) 90٪ مطابقة للماوس القس إيربα ، عنصر تم تحديده حديثًا للساعة اليومية يمنع نسخ بمال [32]. يبدو أن Herpud1 عبارة عن بروتين شبكي إندوبلازمي مرتبط بالغشاء ناتج عن الإجهاد [33]. يحتوي على مجال يشبه اليوبيكويتين عند الطرف الأميني ، مما يشير إلى مشاركته في مسار تدهور البروتين ، وهي عملية بيولوجية مهمة للحفاظ على إيقاعات الساعة البيولوجية. ال Oazi منتج الجين هو مثبط لمضاد ، والذي يثبط ornithine decarboxylase (ODC) ، وهو إنزيم رئيسي في التخليق الحيوي للبوليامين الضروري لنمو الخلايا الطبيعي [34]. يشير اكتشاف الجينات اليومية الشائعة في أنسجة متعددة إلى أن هذه الجينات وأنماط تعبيرها مهمة في مجموعة متنوعة من مسارات الأنسجة.

مقارنات التمرين

ينظم الطاقة المتجددة الجينات اليومية: دليل على تحول الطور الناجم عن RE

افترضنا أن RE يؤثر على التعبير الجيني الذي تنظمه الساعة البيولوجية مباشرة في العضلات الهيكلية. ودعماً لذلك ، وجدنا أن ثلاثة جينات أساسية للساعة البيولوجية ، صرخة 1, بير 2، و بمال 1، تم تنظيمها بعد 6 ساعات من RE في الساق التي تمرنها (1.5 ضعف ، 1.2 ضعف ، و 1.2 ضعف ، على التوالي الشكل 2 ب). على الرغم من أن التغييرات التي تحدثها RE في جينات الساعة البيولوجية هذه كانت متواضعة من حيث الحجم ، إلا أنها ذات دلالة إحصائية ومنسقة وتسبق التغيرات بوساطة RE في الجينات النهارية بعد 18 ساعة من RE في الساق التي تمرنها.

يبدو أن التعلم الديناميكي يحول أنماط التعبير عن الجينات المنظمة نهاريًا عن طريق تنظيم الجينات (ن = 12, ص & lt 0.1) التي عادة ما يتم كبتها في الصباح (ن = 29, ص & lt 0.05) أو عن طريق تقليل تنظيم الجينات (ن = 5, ص & lt 0.1) تحدث عادة في الصباح (ن = 15, ص & lt 0.05) (الشكل 2 ج). إذا قمنا بتوسيع هذا التحليل ليشمل جميع الجينات اليومية التي تم تغييرها بشكل كبير (ص & lt 0.05) 18 ساعة بعد RE ، وجدنا جميع (64 جينًا) ولكن واحدًا يعكس هذا التأثير المحتمل لتغيير الطور.

على الرغم من أننا لا نستطيع تحديد ما إذا كانت الطاقة المتجددة تؤدي إلى تقدم طور أو تأخير طوري في هذه الجينات ، فإن بياناتنا تتوافق مع الدراسات السابقة التي تظهر أن التمرينات البدنية خلال اليوم (على غرار دراستنا) يمكن أن تحفز تقدمًا في المرحلة البيولوجية لدى البشر [35]. تقاس عن طريق تعميم مستويات الهرمون. تشير دراساتنا الآن إلى أن تقدم هذه المرحلة قد يحدث على مستوى التعبير الجيني في العضلات.

مقارنة بين الجينات البشرية والفئران التي تنظمها RE

للتحقق من صحة بروتوكولنا التجريبي ولتحديد الجينات الرئيسية التي قد تنظم تأثيرات الطاقة المتجددة في كل من البشر والقوارض ، قمنا بمقارنة الجينات البشرية التي تم تنظيمها بواسطة بروتوكول RE متساوي التوتر الخاص بنا في 6 ساعات مع أطباء تقويم الفئران الذين تم تنظيمهم إما بشكل نسخي أو انتقالي في نشرت دراسة RE غريب الأطوار على الفئران [8] (الشكل 4). تسبب بروتوكول التمرين غريب الأطوار للفئران في حدوث تضخم في العضلات والهيكل العظمي [36] ويتألف من تقلصات عملاقة تم استحضارها كهربائيًا باستخدام أقطاب كهربائية متعددة الأقطاب مزروعة على جانبي العصب الوركي. تتكون التقلصات من 10 مجموعات من ستة تكرارات مع كل تكرار لمدة 3 ثوان. تم تحفيز الانقباضات بتردد 100 هرتز ، 6-12 فولت ، مدة 1 مللي ثانية ، تأخير 9 مللي ثانية. ثم تم حصاد عضلات الفئران بعد 6 ساعات من النوبة الحادة من التمرين [8]. تم تنزيل قوائم جينات RE للفئران لمدة 6 ساعات من البيانات التكميلية في [37]. يوضح الشكل 4 أخصائيو تقويم العظام والجينات البشرية والفئران الذين تم تنظيمهم في نفس الاتجاهات.

نموذج التنظيم الجيني بعد 6 ساعات من الطاقة المتجددة. تغيرت الجينات البشرية الـ 144 بشكل كبير (ص & lt 0.05 وتغيير الطية & gt 20٪) بعد 6 ساعات من مقارنة RE بأخصائيي تقويم الفئران الخاضعين للتنظيم النسخي أو الانتقالي (ص & lt 0.05) 6 ساعات بعد RE في نموذج الفئران RE [8]. المربعات تمثل الجينات البشرية الفردية يشير اللون الأحمر إلى الانتظام والتنظيم الأزرق. *IL-1a لم يتم العثور عليها في بيانات ممارسة الفئران ولكن تم تضمينها لأغراض المناقشة.

كشف تجميع أخصائيي تقويم العظام حسب الوظيفة البيولوجية عن وجود جينين ، رراد (راس مرتبط بمرض السكري) و G6pt1 (الجلوكوز 6 فوسفاتاز ، بروتين النقل 1) ، تم تنظيمه في اتجاهات تشير إلى انخفاض نقل الجلوكوز ، وجين واحد ، Gpd2 (glycerol-3-phosphate dehydrogenase 2 (mitochondrial)) تم تنظيمه في اتجاه يشير إلى انخفاض في استقلاب الجلوكوز. تم أيضًا تقليل تنظيم الجينات الأخرى المشاركة في عملية التمثيل الغذائي للجليكوجين (شكل التخزين الخلوي للجلوكوز) (الجدول 1).

ومن المثير للاهتمام أن هذه الجينات الثلاثة جميعها متورطة في أمراض الإنسان. رراد تم استنساخه لأنه تم تنظيمه في مرضى السكري من النوع الثاني [38]. في العضلات المستزرعة والخلايا الدهنية ، يكون الإفراط في التعبير عن رراد يقلل من امتصاص الأنسولين الجلوكوز [39]. تنظيم رراد يوفر آلية محتملة للتقارير السابقة التي تفيد بأن RE الحاد يقلل من امتصاص الجلوكوز الذي يحفزه الأنسولين [40-42]. الطفرات في Gpd2 تم العثور عليها في عائلة من مرضى السكر من النوع الثاني [43] ، وطفرات في G6pt1 تم العثور عليها في المرضى الذين يعانون من مرض تخزين الجليكوجين [44].

ينظم RE الجينات العضلية القوية

تم تنظيم اثنين من الجينات القوية لإعادة تشكيل العضلات ، الميوجينين والميوستاتين ، في اتجاهين متعاكسين استجابةً لتأثير الطاقة المتجددة في البشر ، مما يوفر آلية محتملة لتضخم العضلات الناجم عن التمرين. تم تنظيم Myogenin في المقارنة لمدة 6 ساعات ، وتم التحقق من صحة هذه الملاحظة في دراسة [8] الفئران RE المنشورة (الشكل 4). الميوجينين Myogenin ، وهو عامل نسخ خاص بالعضلات يحتوي على المجال الحلزوني الحلزوني الأساسي ، مهم لنمو العضلات وتمايزها [45]. الميوستاتين ، وهو عضو في عائلة TGF-، هو منظم سلبي لحجم العضلات والهيكل العظمي وخضع للتنظيم في دراستنا. وهو مثبط قوي لنمو العضلات وتكاثرها [46]. قد يرتبط تقليل تنظيم الميوستاتين بنمو العضلات والهيكل العظمي [47] ومن المحتمل أن يكون له دور رئيسي في إعادة تشكيل العضلات استجابة للتمرين.

Interleukin-1 الإشارات والتمرين

جين انترلوكين 1 (IL-1) بعد 6 ساعات من إعادة التنظيم (الشكل 4). الأهمية المحتملة لـ IL-1 التنظيم ردا على الطاقة المتجددة تدل على حقيقة أن اثنين من الجينات ينظمهما IL-1, Nr4a3 [48] ​​و الكارب [49] ، لديها أعلى تغيرات أضعاف (3.5 ضعفًا و 2.3 ضعفًا ، على التوالي ، ص & lt 0.05) 6 ساعات بعد RE. تم تنظيم هذين الجينين أيضًا في دراسة تمرين الفئران (الشكل 4). علاوة على ذلك ، فإن جين عامل نمو بطانة الأوعية الدموية (نبات) [50] ، والتي يتم تنظيمها أيضًا بواسطة IL-1، كان عنده أكبر تغيير عند 18 ساعة بعد RE (1.6 ضعف). نبات يُعتقد أنه وسيط مهم لتكوين الأوعية الدموية الناتج عن ممارسة التحمل في العضلات الهيكلية [51]. ومع ذلك ، فإن بروتوكولات تمارين المقاومة لا تؤدي إلى زيادات في الشعيرات الدموية لكل منطقة عضلية ولكنها تؤدي إلى إعادة توزيع تدفق الدم إلى أنواع ألياف العضلات المتضخمة [4].

يشير تحليل الكتلة الهرمي إلى مجموعات جينية منظمة مشتركة محتملة

لتحديد الجينات المحتملة الخاضعة للتنظيم المشترك ، أجرينا تحليل المجموعات الهرمية [52] مع قيم التعبير في الساق غير المُمارسَة في 2000 ساعة كخط أساس. تضمنت مجموعتان جينات منظمة في 6 ساعات بعد RE (الشكل 5) ، تركزت واحدة عليها Nr4a3 (الشكل 5 أ) والآخر على رراد (الشكل 5 ب). أظهر هذان الجينان تغيرات أعلى أضعاف بعد 6 ساعات من RE. صرخة 1، وهو عضو في آلية الساعة الأساسية (الشكل 2) ، في Nr4a3 العنقودية.

تم تنظيم مجموعة الجينات بعد 6 ساعات من RE. تشير الأعمدة إلى كل موضوع وتشير الصفوف إلى الجينات الفردية. يتم تمثيل كل جين باختلاف قيمة التعبير الجيني ومتوسط ​​قيمة التعبير لأرجل التحكم الأربعة غير الممارسه بعد 6 ساعات من RE. يشير اللون الأحمر إلى الجينات المنتظمة ، والأخضر يشير إلى الجينات المنتظمة. تظهر أسماء وأوصاف الجينات (أو معرفات GenBank) على اليمين.

احتوت مجموعتان على جينات الساعة البيولوجية الأساسية لكل 1 (الشكل 6 أ) و بير 2 (الشكل 6 ب) التي تم تنظيمها في الساعة 0800. احتوت المجموعة الثالثة (الشكل 6 ج) على جينات تم تنظيمها في الساعة 0800 ولكن ليس في 2000 ساعة. ال بير 2 احتوت المجموعة العنقودية على جينات تم تنظيمها في الساعة 0800 واستجابة للتمرين (2000 ساعة + RE).

مجموعة الجينات المنظمة في خزعات 0800 ساعة. تشير الأعمدة إلى كل موضوع وتشير الصفوف إلى الجينات الفردية. يتم تمثيل كل جين باختلاف قيمة التعبير الجيني ومتوسط ​​قيمة التعبير لأرجل التحكم الأربعة غير الممارسه بعد 6 ساعات من RE. يشير اللون الأحمر إلى الجينات المنتظمة ، يشير اللون الأخضر إلى الجينات غير المنتظمة. تظهر أسماء وأوصاف الجينات (أو معرفات GenBank) على اليمين. (أ) لكل 1 0800 ساعة منظم الكتلة. (ب) بير 2 0800 ساعة منظم الكتلة. (ج) 0800 ساعة خفض التنظيم العنقودي.


استنتاج

في الدراسة الحالية ، حددنا التفاعلات بين BMAL1 و CLOCK ، وهما مكونان من حلقة التغذية الراجعة الإيجابية للساعة البيولوجية للثدييات ، والمثبطات PER2 و CRY1 و CRY2. نظهر أن PER2 يرتبط بكل من BMAL1 و CLOCK بينما في نظامنا ، فإن CRY1 و CRY2 قادران فقط على الارتباط بـ BMAL1. يمكن ملاحظة هذه التفاعلات في الخلايا المنقولة أيضًا في غياب بروتينات الساعة الذاتية ، ولكن ليس كذلك في المختبر، مما يشير إلى أن التعديلات اللاحقة للترجمة لشركاء التفاعل و / أو بروتينات التجسير غير المرتبطة بالساعة ضرورية لتحقيق الاستقرار فيها. يكشف تحليل طفرات الحذف لـ BMAL1 أن PER2 يتفاعل مع المناطق الطرفية N ، على عكس CRY1 و CRY2 اللذين يحتاجان إلى نماذج C الطرفية لتكون قادرة على الارتباط بـ BMAL1 (الشكل 8). علاوة على ذلك ، يبدو أن بروتينات CRY أكثر تقاربًا مع BMAL1 من PER2. مجتمعة ، توفر نتائجنا رؤى جديدة حول التفاعلات بين تنشيط مكونات الساعة البيولوجية وقمعها. يؤكدون أيضًا فكرة أن بروتينات CRY هي مثبطات أكثر فاعلية لتنشيط النسخ بوساطة BMAL1-CLOCK من بروتينات PER ، والتي قد تكون بسبب تقاربها العالي مع BMAL1 وارتباطها بالنهاية C لـ BMAL1.

نموذج ربط PER2 و CRY1 و CRY2 بـ BMAL1. مواقع الربط المقترحة لـ PER2 و CRY1 و CRY2 في بروتين BMAL1 بناءً على بيانات التفاعل الموضحة في الشكل 5. لاحظ أن CRY1 و 2 يرتبطان بالقرب من الطرف C ، والذي تم وصفه كموقع تفاعل محتمل للمنشطات CBP /p300 (see text).


Clock regulation of protein secretion

The molecular clock regulates the rhythmic transcription of myriad genes, leading to a circadian pattern of expression of the encoded proteins. A study demonstrates circadian regulation of expression of components of the protein secretory pathway, providing a mechanism to generate circadian patterns of secreted protein expression.

Collagen fibrils constitute up to one-third of the mass of vertebrates and play a critical role in normal physiology 4 . Collagen fiber homeostasis is under rigid control, illustrated by the pathological state of fibrosis that is typified by abnormal accumulation of the fibrils 5 . Similarly to a substantial fraction of eukaryotic proteins, collagen traverses the secretory pathway and is thought to be the most abundant secreted protein in vertebrates. Collagen fibrils are extraordinarily stable, and fibrils within tendons and cartilage can endure for the entire lifetime of an organism 4 . Nonetheless, collagen fibrils are known to fail under normal physiological loading such as during exercise, and it is clear that new collagen is synthesised in response to mechanical or hormonal stimuli 6 . Chang et al. 3 observed two pools of collagen, one that is stable or ‘persistent’ and an unexpected second pool of newly synthesised or ‘sacrificial’ collagen that appears to be under control of a circadian clock. Examining the collagen fibril network in mouse tendons, they observed a trimodal distribution of fibrils based on fiber diameter (D1 = small, D2 = medium and D3 = large diameter). Using transmission electron microscopy, they observed a circadian pattern of changes in the trimodal distribution of the fibrils. Although the tendon has been demonstrated to have an operational peripheral molecular clock 7 , and disruption of the clock is known to be associated with abnormalities of the extracellular matrix (ECM) including the development of thickened/calcified tendons in ClockΔ19 mutants leading to immobilisation 7 , the expression of collagen I genes (Col1a1 و Col1a2) lacked rhythmicity in transcriptomic analyses performed in this study. However, Chang et al. 3 did confirm circadian rhythmicity of core clock genes including Npas2, Per1/2/3, Bmal1 و Cry1 in the tendons, leading them to explore other potential mechanisms responsible for the collagen fibril rhythms. Previous studies demonstrated circadian clock regulation of ribosome binding to Col1a1 mRNA transcripts 8 , and the authors took this observation one step further and were able to observe that packing of ribosomes along the endoplasmic reticulum (ER) in the tendon fibroblasts followed a clear circadian pattern with greater occupancy at ZT15 than at ZT2.Transcriptomic analysis performed in the tendons revealed prominent circadian patterns of expression of mRNAs encoding key secretory pathway proteins, leading the authors to hypothesise that secreted protein translation (including collagen I) was under circadian regulation via the molecular clock.


Living organisms adapt to light–dark rhythmicity using a complex programme based on internal clocks.

In mammals, the central clock structure is located within the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the anterior hypothalamus.

The clock can be considered as consisting of three overlapping components: the input pathways, the oscillator or pacemaker (which generates rhythmicity autonomously) and the output pathways.

Input-gene products are thought to sense external stimuli and relay the message to the oscillator to reset or entrain it.

Many pacemaker genes encode transcription factors or proteins that act on gene regulation, emphasizing the idea that the generation and modulation of rhythms relies mainly on transcriptional feedback loops and on activation and repression of gene expression (perhaps through chromatin remodelling).

The circadian clock probably uses a number of inter- or intragenic loops organized in networks.

Degradation of clock messenger RNAs and proteins is crucial to the control of oscillator periodicity. Entry of clock proteins into the nucleus is another checkpoint for circadian feedback loops.

Peripheral clocks may be controlled or synchronized by the SCN through blood-borne signalling factors oscillating in a circadian fashion.

Output gene-products, which include peptides and transcription factors, convey rhythmic information to downstream physiological systems.


الملخص

The kidneys regulate many vital functions that require precise control throughout the day. These functions, such as maintaining sodium balance or regulating arterial pressure, rely on an intrinsic clock mechanism that was commonly believed to be controlled by the central nervous system. Mounting evidence in recent years has unveiled previously underappreciated depth of influence by circadian rhythms and clock genes on renal function, at the molecular and physiological level, independent of other external factors. The impact of circadian rhythms in the kidney also affects individuals from a clinical standpoint, as the loss of rhythmic activity or clock gene expression have been documented in various cardiovascular diseases. Fortunately, the prognostic value of examining circadian rhythms may prove useful in determining the progression of a kidney-related disease, and chronotherapy is a clinical intervention that requires consideration of circadian and diurnal rhythms in the kidney. In this review, we discuss evidence of circadian regulation in the kidney from basic and clinical research in order to provide a foundation on which a great deal of future research is needed to expand our understanding of circadian relevant biology.


Circadian Rhythm Molecules

There are various rhythms in the life activities of nature. The most common of all rhythms is the circadian rhythm. Sleep not only has a circadian rhythm, but many other behaviors and physiological activities also have circadian rhythms. The study found that the circadian rhythm is inherently endogenous, controlled by the biological factors, and can adapt to changes in the environment (such as light, temperature, and eating time.) environmental changes can cause temporary confusion of circadian rhythm, thus affect the physiological activities of living organisms. From single-celled blue-green algae to multi-celled people, most of the life activities of various organisms have circadian rhythms and follow similar molecular regulatory mechanisms. Since the discovery of the first gene controlling circadian rhythms in Drosophila in 1971, the intrinsic regulation mechanism of circadian rhythms has become clear. Michael Rosbash and Jeffrey C. Hall of the University of Brunswick and Michael W. Young of Rockefeller University won the 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their achievements in the study of the molecular mechanisms of circadian rhythms.

Molecular Mechanism of Circadian Rhythm Regulation

The regulatory mechanism of circadian rhythm is evolutionarily conservative, and mammals follow a similar regulatory mechanism as Drosophila. The early work of finding circadian rhythm regulating genes was mainly done in fruit flies. The first discovered circadian rhythm clock gene is لكل gene of Drosophila. Ronald Konopka and Seymour Benzer used the characteristics of the emergence and diurnal activity of Drosophila as indicators, and screened three mutant Drosophila strains with abnormal circadian rhythms: one had no rhythm, one rhythm cycle shortened to 19 hrs, one rhythm changed to 28 hrs. The three mutations are caused by different mutations of the same gene. They named the gene as period. Unrhythmically is per0, the short rhythm is pers (per short), and the rhythm is long per (per long). Further research found that the PER protein encoded by the لكل gene is a transcriptional regulator. In the further research, other biological clock genes regulating the circadian rhythm of fruit fly have been found, jrk, تيم, بكاء, cyc, dbl وما إلى ذلك وهلم جرا. ال jrk gene product regulates the expression of the لكل gene and is also regulated by the PER protein. The protein encoded by the تيم gene is regulated by light, and the product of the بكاء gene is affected by the binding to the PER protein. The CRY protein enters and exits the nucleus and mediates the effects of light on the inner circadian clock of the body by regulating the expression of the لكل gene and the تيم الجين. These circadian clock genes that regulate circadian rhythms found in Drosophila mostly have counterparts in the mammalian genome. The first gene regulating the mammalian circadian clock, تاو, was discovered in 1988 and successfully cloned in 2000. Its gene product is a protein kinase CK1ε. The second discovered mammalian circadian clock gene is the clock protein gene, whose gene product CLK protein is a transcriptional regulator and is a homologous gene to the jrk gene of Drosophila. The first discovered لكل gene in Drosophila also found homologous genes in mice and humans in 1997. There are three لكل genes in mammals, per1, per2 و per3, and their expression products have circadian rhythm changes and are subject to regulation of the clock gene. Other circadian clock genes found in mammals include the cryptochrome genes cry1 و cry2, the brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nuclear translocation protein gene bmal1, and the orphan nuclear receptor gene القس. The basic pattern of circadian rhythm regulation of circadian clock genes is similar in various organisms: transcription-translation-negative feedback inhibits transcriptional patterns, circadian rhythmically expresses circadian clock protein as a regulatory factor, promotes expression of other related genes, and then inhibits its own transcription through negative feedback. The current study found that there are mainly two feedback loops in the regulation mechanism of mammalian circadian rhythm. In the first loop, the proteins mCLK and BMAL1 expressed by ساعة و bmal1 gene first form a heterodimer in the cytoplasm and then transport it into the nucleus. In nucleus, the heterodimer binds to the promoters of the بكاء و لكل genes, activates their transcription, and promotes the transcription of the circadian clock-related الجينات. The CRY and PER proteins are expressed after the initiation of the بكاء و لكل الجينات. As transcriptional translation proceeds, the CRY and PER proteins accumulated in the cytoplasm gradually increase. They are activated by phosphorylation and form heterodimers by interaction and transported to the nucleus. The heterodimers binds to the CLK/BMAL1 dimer by virtue of the PAS domain of the PER protein, which reduces the transcriptional activation of the CLK/BMAL1 dimer and achieves the inhibition of self-transcription. The PER protein, which has been phosphorylated in both the cytoplasm and the nucleus, is degraded after being re-phosphorylated by CK1ε kinase. In the second loop, the dimer CLK/BMAL1 activates the transcription of the orphan nuclear receptor gene مراجعة, and its translation product, REV-ERBα, inhibits the transcription of the bmal1 gene by binding to the promoter of the bmal1 الجين. Therefore, when mPERl and mPER2 are transported into the nucleus to form a stable negative regulatory polymer with mCRY1 and mCRY2, the transcriptional activity promoted by CLK/BMAL1 dimer can be directly inhibited while inhibiting the expression of mPER1 and mPER2, it also inhibits the transcription of the مراجعة gene, which causes the transcriptional inhibition of the bmal1 gene to be released, and then the expression of BMAL1 protein increases, and enters the next rhythmic oscillation cycle.


80 Prokaryotic Gene Regulation

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • Describe the steps involved in prokaryotic gene regulation
  • Explain the roles of activators, inducers, and repressors in gene regulation

The DNA of prokaryotes is organized into a circular chromosome, supercoiled within the nucleoid region of the cell cytoplasm. يتم ترميز البروتينات اللازمة لوظيفة معينة ، أو التي تشارك في نفس المسار الكيميائي الحيوي ، معًا في كتل تسمى أوبيرونات. على سبيل المثال ، يتم ترميز جميع الجينات اللازمة لاستخدام اللاكتوز كمصدر للطاقة بجانب بعضها البعض في اللاكتوز (أو لاك) operon, and transcribed into a single mRNA.

في الخلايا بدائية النواة ، هناك ثلاثة أنواع من الجزيئات المنظمة التي يمكن أن تؤثر على التعبير عن العوامل: الكابتات ، والمنشطات ، والمحفزات. Repressors and activators are proteins produced in the cell. Both repressors and activators regulate gene expression by binding to specific DNA sites adjacent to the genes they control. In general, activators bind to the promoter site, while repressors bind to operator regions. Repressors prevent transcription of a gene in response to an external stimulus, whereas activators increase the transcription of a gene in response to an external stimulus. Inducers are small molecules that may be produced by the cell or that are in the cell’s environment. Inducers either activate or repress transcription depending on the needs of the cell and the availability of substrate.

ال trp Operon: مشغل قابل للقمع

البكتيريا مثل الإشريكية القولونية need amino acids to survive, and are able to synthesize many of them. التربتوفان هو أحد هذه الأحماض الأمينية بكتريا قولونية can either ingest from the environment or synthesize using enzymes that are encoded by five genes. هذه الجينات الخمسة متجاورة فيما يسمى التربتوفان (trp) operon ((Figure)). The genes are transcribed into a single mRNA, which is then translated to produce all five enzymes. إذا كان التربتوفان موجودًا في البيئة ، إذن بكتريا قولونية does not need to synthesize it and the trp تم إيقاف تشغيل operon. However, when tryptophan availability is low, the switch controlling the operon is turned on, the mRNA is transcribed, the enzyme proteins are translated, and tryptophan is synthesized.


ال trp يشمل operon ثلاث مناطق مهمة: منطقة التشفير ، و trp المشغل و trp المروجين. تشمل منطقة الترميز الجينات الخاصة بأنزيمات التخليق الحيوي للتربتوفان الخمسة. مباشرة قبل منطقة الترميز هي موقع بدء النسخ. يكون تسلسل المحفز ، الذي يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ ، قبل أو "المنبع" لموقع بدء النسخ. بين المروج وموقع بدء النسخ توجد منطقة المشغل.

ال trp operator contains the DNA code to which the trp يمكن أن يرتبط البروتين المثبط. ومع ذلك ، فإن القامع وحده لا يمكنه الارتباط بالمشغل. عندما يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، يرتبط جزيئين من التربتوفان بـ trp repressor ، الذي يغير شكل البروتين المكبِر إلى شكل يمكن أن يرتبط بـ trp المشغل أو العامل. إن ارتباط معقد التربتوفان - المكبّر عند المشغل يمنع فيزيائيًا بوليميريز الحمض النووي الريبي من الارتباط بالمحفز ونسخ جينات المصب.

عندما لا يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، فإن المثبط بحد ذاته لا يرتبط بالمشغل ، يمكن للبوليميراز نسخ جينات الإنزيم ، ويتم تصنيع التربتوفان. نظرًا لأن البروتين المثبط يرتبط بشكل فعال بالمشغل للحفاظ على إيقاف الجينات ، فإن trp يقال أن أوبرون يكون سلبي التنظيم والبروتينات التي ترتبط بالمشغل لإسكات الصوت trp التعبير منظمون سلبيون.

شاهد هذا الفيديو لمعرفة المزيد عن trp أوبرون.

Catabolite Activator Protein (CAP): A Transcriptional Activator

تمامًا مثل ملف trp operon is negatively regulated by tryptophan molecules, there are proteins that bind to the promoter sequences that act as positive regulators to turn genes on and activate them. For example, when glucose is scarce, بكتريا قولونية bacteria can turn to other sugar sources for fuel. To do this, new genes to process these alternate sugars must be transcribed. When glucose levels drop, cyclic AMP (cAMP) begins to accumulate in the cell. The cAMP molecule is a signaling molecule that is involved in glucose and energy metabolism in بكتريا قولونية. Accumulating cAMP binds to the positive regulator catabolite activator protein (CAP) , a protein that binds to the promoters of operons which control the processing of alternative sugars. When cAMP binds to CAP, the complex then binds to the promoter region of the genes that are needed to use the alternate sugar sources ((Figure)). In these operons, a CAP-binding site is located upstream of the RNA-polymerase-binding site in the promoter. CAP binding stabilizes the binding of RNA polymerase to the promoter region and increases transcription of the associated protein-coding genes.


ال لاك Operon: مشغل محرض

The third type of gene regulation in prokaryotic cells occurs through inducible operons, which have proteins that bind to activate or repress transcription depending on the local environment and the needs of the cell. ال لاك operon is a typical inducible operon. As mentioned previously, بكتريا قولونية is able to use other sugars as energy sources when glucose concentrations are low. One such sugar source is lactose. ال لاك operon encodes the genes necessary to acquire and process the lactose from the local environment. The Z gene of the لاك operon encodes beta-galactosidase, which breaks lactose down to glucose and galactose.

However, for the لاك operon to be activated, two conditions must be met. First, the level of glucose must be very low or non-existent. Second, lactose must be present. Only when glucose is absent and lactose is present will the لاك operon be transcribed ((Figure)). In the absence of glucose, the binding of the CAP protein makes transcription of the لاك operon more effective. When lactose is present, it binds to the لاك repressor and changes its shape so that it cannot bind to the لاك operator to prevent transcription. This combination of conditions makes sense for the cell, because it would be energetically wasteful to synthesize the enzymes to process lactose if glucose was plentiful or lactose was not available.


في بكتريا قولونية، ال trp operon is on by default, while the لاك operon is off. Why do you think this is the case?

If glucose is present, then CAP fails to bind to the promoter sequence to activate transcription. If lactose is absent, then the repressor binds to the operator to prevent transcription. If either of these conditions is met, then transcription remains off. Only when glucose is absent and lactose is present is the لاك operon transcribed ((Figure)).

Signals that Induce or Repress Transcription of the لاك Operon
الجلوكوز CAP binds اللاكتوز Repressor binds النسخ
+ + لا
+ + بعض
+ + لا
+ + نعم

Watch an animated tutorial about the workings of لاك operon here.

ملخص القسم

يحدث تنظيم التعبير الجيني في الخلايا بدائية النواة على مستوى النسخ. There are two majors kinds of proteins that control prokaryotic transcription: repressors and activators. Repressors bind to an operator region to block the action of RNA polymerase. Activators bind to the promoter to enhance the binding of RNA polymerase. Inducer molecules can increase transcription either by inactivating repressors or by activating activator proteins. في ال trp operon, the trp repressor is itself activated by binding to tryptophan. Therefore, if tryptophan is not needed, the repressor is bound to the operator and transcription remains off. ال لاك operon is activated by the CAP (catabolite activator protein), which binds to the promoter to stabilize RNA polymerase binding. CAP is itself activated by cAMP, whose concentration rises as the concentration of glucose falls. ومع ذلك ، فإن لاك operon also requires the presence of lactose for transcription to occur. Lactose inactivates the لاك repressor, and prevents the repressor protein from binding to the لاك المشغل أو العامل. With the repressor inactivated, transcription may proceed. Therefore glucose must be absent and lactose must be present for effective transcription of the لاك أوبرون.

أسئلة الاتصال المرئي

(Figure) In بكتريا قولونية، ال trp operon is on by default, while the لاك operon is off. لماذا تعتقد أن هذا هو الحال؟

(Figure) Tryptophan is an amino acid essential for making proteins, so the cell always needs to have some on hand. However, if plenty of tryptophan is present, it is wasteful to make more, and the expression of the trp receptor is repressed. Lactose, a sugar found in milk, is not always available. It makes no sense to make the enzymes necessary to digest an energy source that is not available, so the لاك operon is only turned on when lactose is present.

راجع الأسئلة

If glucose is absent, but so is lactose, the لاك operon will be ________.

Prokaryotic cells lack a nucleus. Therefore, the genes in prokaryotic cells are:

  1. all expressed, all of the time
  2. transcribed and translated almost simultaneously
  3. transcriptionally controlled because translation begins before transcription ends
  4. b and c are both true

ال آرا operon is an inducible operon that controls the production of the sugar arabinose. When arabinose is present in a bacterium it binds to the protein AraC, and the complex binds to the initiator site to promote transcription. In this scenario, AraC is a(n) ________.

أسئلة التفكير النقدي

Describe how transcription in prokaryotic cells can be altered by external stimulation such as excess lactose in the environment.

Environmental stimuli can increase or induce transcription in prokaryotic cells. In this example, lactose in the environment will induce the transcription of the لاك operon, but only if glucose is not available in the environment.

What is the difference between a repressible and an inducible operon?

A repressible operon uses a protein bound to the promoter region of a gene to keep the gene repressed or silent. This repressor must be actively removed in order to transcribe the gene. An inducible operon is either activated or repressed depending on the needs of the cell and what is available in the local environment.

قائمة المصطلحات


Silencing of odorant receptor genes by G protein βγ signaling ensures the expression of one odorant receptor per olfactory sensory neuron

Olfactory sensory neurons express just one out of a possible ∼ 1,000 odorant receptor genes, reflecting an exquisite mode of gene regulation. In one model, once an odorant receptor is chosen for expression, other receptor genes are suppressed by a negative feedback mechanism, ensuring a stable functional identity of the sensory neuron for the lifetime of the cell. The signal transduction mechanism subserving odorant receptor gene silencing remains obscure, however. Here, we demonstrate in the zebrafish that odorant receptor gene silencing is dependent on receptor activity. Moreover, we show that signaling through G protein βγ subunits is both necessary and sufficient to suppress the expression of odorant receptor genes and likely acts through histone methylation to maintain the silenced odorant receptor genes in transcriptionally inactive heterochromatin. These results link receptor activity with the epigenetic mechanisms responsible for ensuring the expression of one odorant receptor per olfactory sensory neuron.

Copyright © 2014 Elsevier Inc. All rights reserved.

الأرقام

Figure 1. Expression of OMP-receptor transgenes in…

Figure 1. Expression of OMP-receptor transgenes in zebrafish embryos

Zebrafish were injected with OMP-OR111-1:GFP (أ)…

Figure 2. Suppression of receptor transgenes in…

Figure 2. Suppression of receptor transgenes in embryonic zebrafish olfactory sensory neurons

Figure 3. OR gene expression is negatively…

Figure 3. OR gene expression is negatively regulated by Gβγ signaling

Figure 4. Inhibition of Gβγ signaling or…

Figure 4. Inhibition of Gβγ signaling or H3K9 methylation results in aberrant co-expression of multiple…

Figure 5. Zebrafish OR genes are associated…

Figure 5. Zebrafish OR genes are associated with chromatin enriched in repressive histone methylation marks

Figure 6. Perturbations in OR gene expression…

Figure 6. Perturbations in OR gene expression caused by inhibition of Gβγ signaling and H3K9…


شاهد الفيديو: هل تعلم أنك تستطيع تغيير جيناتك للأفضل باتباع هذه الوصفه (أغسطس 2022).