体外生物钟:科学家在试管中组装一个生物钟来研究它是如何工作的

体外昼夜时钟

加州大学的一组科学家在试管中重建了蓝藻的生物钟,使他们能够实时研究时钟蛋白的分子相互作用,并了解这些相互作用如何使时钟发挥对基因表达的控制。信贷:安迪LiWang

重建后的生物钟连续几天保持每天的循环,使研究人员可以研究其组成部分的相互作用。

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的三个实验室的研究人员合作进行了这项研究,该研究于2021年10月8日发表科学

“重组一个复杂的生物过程像昼夜节律钟的确实帮助我们学习时钟蛋白质如何协同工作,将使有了更深的理解昼夜节律,”嘉莉Partch说,加州大学圣克鲁斯分校的化学和生物化学教授,该研究的通讯作者。yabovip2021

帕奇指出,从蓝藻细菌到人类,生物钟的分子细节都非常相似。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,为探索时钟的机制以及它如何对变化做出反应提供了一个强大的平台。研究小组在活细胞中进行了实验,以确认他们的体外结果与活蓝藻中的时钟运行方式一致。

“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。yabovip2021

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)及其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滴答。

研究人员还使用体外系统探索时钟中断的遗传起源在一个心律失常的蓝藻菌株。他们在RpaA基因中发现了一个突变,降低了这种蛋白质的dna结合效率。

“一个氨基转录因子的变化使细胞失去基因表达的节奏,即使它的时钟是完整的,”合著者苏珊·戈尔登说,她是加州大学圣地亚哥分校昼夜生物学中心的主任,帕特奇和李旺也是该中心的成员。yabo124

她补充说:“这个项目的真正美妙之处在于,来自三个加州大学校园的团队聚集在一起,汇集了解决细胞如何显示时间的方法。”“积极的合作远远超出了主要研究者的范围,在不同学科受过训练的学生和博士后相互分享遗传学、结构生物学和生物物理学数据,向彼此解释他们发现的重要性。yabo124跨学科交流对项目的成功与研究人员令人印象深刻的技能同样重要。”

参考文献:“完整时钟的重建揭示了昼夜节律计时机制”科学
DOI: 10.1126 / science.abd4453

论文的作者包括第一作者阿卡纳Chavan和乔尔Heisler加州大学圣塔克鲁兹分校加州大学默塞德和杰弗里天鹅,以及合作者Cigdem Sancar,达斯汀·恩斯特,Mingxu方舟子在加州大学圣地亚哥分校,约瑟夫·帕拉西奥斯和丽贝卡·斯潘格勒,克莱夫·Bagshaw Sarvind Tripathi,加州大学圣塔克鲁兹分校Priya克罗斯比。这项工作得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)和国家科学基金会(National Science Foundation)的支持。

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