《Science》在试管中组装了一个生物钟

时间：2021-10-08 00:00:00 来源：网络整理

实际上，我们生理机能的每个方面的日常周期都是由细胞中的生物钟(也称为昼夜节律时钟)驱动的。时钟蛋白质的周期性相互作用使生命的生物节律与昼夜的日常循环一致，这不仅发生在人类和其他复杂的动物中，甚至在简单的单细胞生物中，如蓝藻。

一组科学家现在已经在试管中重新构建了蓝藻的生物钟，使他们能够实时研究时钟蛋白的节律性相互作用，并了解这些相互作用如何使时钟发挥对基因表达的控制。加州大学圣克鲁斯分校、加州大学默塞德分校和加州大学圣地亚哥分校三个实验室的研究人员合作进行了这项研究，研究结果发表在10月8日的《Science》杂志上。

加州大学圣克鲁斯分校化学和生物化学教授、该研究的通讯作者Carrie partch说：“从头开始重新构建一个复杂的生物过程，如生物钟，确实有助于我们了解生物钟蛋白是如何协同工作的，这将使我们能够更深入地了解生物钟的节律。”

partch指出，从蓝藻到人类，生物钟的分子细节非常相似。拥有一个可以在试管（“体外”）而不是活细胞（“体内”）中研究的功能时钟，为探索时钟的机制及其如何响应变化提供了一个强大的平台。该团队在活细胞中进行了实验，以确认他们的体外实验结果与活蓝藻中生物钟的工作方式一致。

“这些结果非常令人惊讶，因为在体外观察到的结果与在体内观察到的结果有些不一致是很常见的。活细胞的内部是高度复杂的，与简单得多的体外条件形成鲜明对比，”加州大学默塞德分校化学和生物化学教授、该论文的通讯作者安迪·利旺(Andy LiWang)说。

这项新研究建立在日本研究人员之前的工作的基础上，他们在2005年重建了蓝藻生物昼夜振荡器，这是时钟的基本24小时计时循环。振荡器由三种相关蛋白组成:KaiA、KaiB和KaiC。在活细胞中，来自振荡器的信号通过其他蛋白质传递，以昼夜节律周期控制基因的表达。

新的体外时钟除了振荡器蛋白外，还包括两个激酶蛋白(SasA和CikA)，它们的活性通过与振荡器相互作用而改变，以及一个DNA结合蛋白(RpaA)和它的DNA靶标。

“SasA和CikA分别激活和失活RpaA，使其有节奏地结合和解除DNA，”LiWang解释说。“在蓝藻中，它们基因组中100多个不同位点上的这种有节奏的结合和解结合激活和抑制对健康和生存至关重要的许多基因的表达。”

利用荧光标记技术，研究人员能够跟踪所有这些时钟组件之间的相互作用，因为整个系统在许多天甚至几周内都伴随着昼夜节律振荡。该系统使研究小组能够确定SasA和CikA如何增强振荡器的稳健性，使其在KaiABC蛋白本身停止振荡的条件下保持运转。

研究人员还利用体外系统探索了一种心律失常蓝藻菌株时钟中断的遗传起源。他们发现RpaA基因中的一个突变降低了蛋白质的DNA结合效率。

“转录因子中的一个氨基酸变化会使细胞失去基因表达的节奏，即使它的生物钟是完整的，”合著者、加州大学圣地亚哥分校昼夜节律生物学中心主任苏珊·戈尔登（Susan Golden）说。

她补充道：“这个项目的真正魅力在于，来自加州大学三个校区的团队如何汇聚在一起，共同探讨如何回答一个细胞是如何分辨时间的。积极的合作远远超出了主要研究人员的范围，在不同学科接受培训的学生和博士后相互讨论分享遗传学、结构生物学和生物物理数据，相互解释他们的发现的重要性。跨学科交流也同样重要研究人员令人印象深刻的技能是该项目成功的关键。”

Science

DOI

10.1126/science.abd4453

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