Doubletime (ген) - Doubletime (gene)

двойное время
Идентификаторы
ОрганизмD. melanogaster
Символdbt
Альт. символыокруг Колумбия
Entrez43673
RefSeq (мРНК)NM_001276203.1
RefSeq (Prot)NP_001263132.1
UniProtO76324
Прочие данные
Номер ЕС2.7.11.1
Хромосома3R: 26,88 - 26,89 Мб
казеинкиназа 1, эпсилон
Идентификаторы
СимволCSNK1E
Ген NCBI1454
HGNC2453
OMIM121695
RefSeqNM_001894
UniProtP49674
Прочие данные
Номер ЕС2.7.11.1
LocusChr. 22 q13.1

Doubletime (dbt) также известный как диски заросли (округ Колумбия) это ген который кодирует двойное время белок (DBT) в Drosophila melanogaster. Белок двойного действия - это киназа что фосфорилирует PER белок, который регулирует молекулярно-управляемые биологические часы, управляющие циркадный ритм.[1] Млекопитающее гомолог двойного времени казеин киназа I эпсилон. Разные мутации в dbt Было показано, что ген вызывает удлинение, укорочение или полную потерю периода двигательной активности у мух. Дрозофила и некоторые позвоночные Казеин-киназа, идентификатор показывает циркадную функцию, которая эволюционно сохранялась в течение долгого времени.[2]

Открытие

Ген двойного времени (dbt) был впервые идентифицирован и охарактеризован в 1998 году Майклом Янгом и его командой в Университет Рокфеллера.[3] Исследовательская группа Юнга во главе с Джеффри Прайс, опубликовали свои результаты в статье, в которой охарактеризованы три аллели из dbt у плодовых мух.[4] Они обнаружили, что два мутантных аллеля, названные коротким и длинным (dbts и dbtлсоответственно), которые могли изменить нормальную цикличность на и Тим.[3][4] Команда Янга подозревала, что задержка между повышением уровня мРНК на и Тим и рост белка PER и TIM был обусловлен действием другого белка. Янг подозревал, что этот белок откладывает межклеточное накопление белка PER, разрушая его. Только когда PER был соединен с TIM, эта поломка была невозможна. Эта работа показала, что DBT регулирует распад PER.[3][4]

Янг назвал новый ген двойным временем (dbt) из-за его влияния на нормальный период дрозофилы. Мухи-мутанты, которые только выражают dbts имели 18-часовой период, в то время как те, кто выражал dbtл имел 28-часовой период.[4] Кроме того, команда Янга выделила третий аллель, dbtп'что привело к летальному исходу куколки, пока абляция любой на или же Тим продукты в личинках.[4] dbtп мутанты важны, потому что они дают ключ к пониманию того, как функционирует генный продукт.[3] Без функционального белка DBT мухи накапливают высокие уровни PER, и эти белки PER не распадаются в отсутствие спаривания с белком TIM. Эти мутанты экспрессировали более высокие цитозольные уровни PER, чем клетки, в которых белок PER был связан с белком TIM. Ген двойного времени регулирует экспрессию PER, который, в свою очередь, контролирует циркадный ритм.[3] Команда Янга позже клонированный ген dbt и обнаружил, что белок DBT был киназа что конкретно фосфорилированный PER белки. Таким образом, у мутантов dbt белки PER не фосфорилировались белком DBT.[4]

Ген

Ген расположен на правом плече хромосомы 3.[4] Транскрипт мРНК dbt состоит из 3,2 пар оснований и содержит четыре экзоны и три интроны.

Протеин

Белок DBT состоит из 440 аминокислоты.[5] Белок имеет Сайт связывания АТФ, каталитические домены серин / треоинкиназы и несколько потенциальных сайты фосфорилирования, включая сайт для аутофосфорилирование.[5]

Функция

Регуляция циркадного ритма

У дрозофилы молекулярно-управляемый часовой механизм регулирует циркадные ритмы, такие как двигательная активность и восторг за счет колебания уровня белков PER и ТИМ через положительный и петли отрицательной обратной связи.[4][6] Ген doubletime производит белок DBT, a киназа который фосфорилирует PER, регулируя его накопление в цитоплазме и его деградацию в ядре.[6][7] В цитоплазме уровни PER и TIM повышаются в течение ночи, и DBT связывается с PER, в то время как уровни TIM все еще низкие.[8] DBT фосфорилирует цитоплазматический PER, что приводит к его деградации. Только когда TIM накапливается, PER и TIM связываются, и это связывание ингибирует деградацию PER. Эта цитоплазматическая деградация PER, а затем накопление вызывает задержку в 4-6 часов, наблюдаемую между уровнями на мРНК и уровнями белка PER.[8] Комплекс PER / TIM, все еще связанный с DBT, мигрирует в ядро, где он подавляет транскрипцию per and tim. TIM теряется из комплекса, и DBT затем фосфорилирует PER, что приводит к его деградации, обеспечивая транскрипцию часов и генов, контролируемых часами (те, транскрипция которых контролируется циркадными механизмами).[8][9] Колебания в присутствии белков PER и TIM вызывают колебания в экспрессии их собственных и других генов, что является основой циркадной ритмичности.[6]

Транскрипция dbt мРНК и уровни белка DBT постоянны в течение дня и не контролируются уровнями PER / TIM. Однако расположение и концентрация белка DBT в клетке меняется в течение дня.[5] Он постоянно присутствует в ядре на разных уровнях, но в цитоплазме он преимущественно присутствует в конце дня и в начале ночи, когда уровни PER и TIM достигают пика.[5]

Перед тем как DBT начинает фосфорилировать PER, другой белок, называемый киназой NEMO / NLK, начинает фосфорилировать PER в своем коротком домене. Это фосфорилирование стимулирует DBT, чтобы начать фосфорилирование PER в нескольких соседних сайтах. Всего на PER имеется около 25-30 сайтов фосфорилирования.[10] Фосфорилированный PER связывается с F-бокс протеин SLIMB, и затем он нацелен на деградацию по пути убиквитин-протеасома.[7] Следовательно, фосфорилирование PER с помощью DBT приводит к снижению содержания PER, что является необходимым этапом в работе внутренних часов организма.[7]

Активности DBT в отношении PER способствует активность белков CKII и SGG, и ему противодействует ритмично экспрессируемая протеинфосфатаза. Возможно, но в настоящее время неизвестно, регулирует ли DBT другие функции PER или других циркадных белков.[6] Нет никаких доказательств того, что DBT напрямую связывается с TIM.[5] Скорее, единственная известная киназа, которая непосредственно фосфорилирует TIM, - это белок киназы SHAGGY (SGG), но это не оказывает существенного влияния на стабильность TIM, что позволяет предположить наличие другой киназы или фосфатазы.[11] DBT действительно играет роль в привлечении других киназ в репрессивные комплексы PER. Эти киназы фосфорилируют фактор транскрипции CLK, который высвобождает CLK-CYC комплекс из Электронная коробка и подавляет транскрипцию.[1]

Мутантные аллели

Есть три первичных мутантных аллеля dbt: dbtS, сокращающий период автономной работы организма (его внутренний период в условиях постоянной освещенности); dbtL, что увеличивает время автономной работы; и dbtп, который вызывает летальность куколок и устраняет белки циркадного цикла и на и Тим транскрипция.[4] Все мутанты, кроме dbtS производят дифференциальную деградацию PER, которая напрямую соответствует их фенотипическому поведению. DbtS Разложение PER напоминает DBT дикого типа, что позволяет предположить, что dbtS не влияет на часы из-за этого механизма деградации. Было высказано предположение, что dbtS работает, действуя как репрессор или создавая другой паттерн фосфоилирования субстрата. DbtS вызывает досрочное прекращение на транскрипция.[7]

В dbtL мутация вызывает период PER и TIM колебания, а также поведенческую активность животных продлить примерно до 27 часов. Этот расширенный ритм вызван сниженной скоростью фосфорилирования PER из-за более низких уровней активности киназы DBT. Эта мутация вызвана заменой в последовательности белка (мутация Met-80 → Ile). В dbtS мутация вызывает период колебаний PER / TIM, составляющий 18–20 часов. В настоящее время нет данных о механизме, на который влияет мутация, но это вызвано заменой в последовательности белка (мутация Pro-47 → Ser).[7]

Другой dbt мутация dbtAR, который вызывает аритмию у дрозофилы. Это гиперморфный аллель, который является результатом мутации His 126 → Tyr. Гомозиготные мухи с этой мутацией жизнеспособны, но аритмичны, тогда как dbtAR / + гетерозиготы имеют сверхдлительные периоды, составляющие около 29 часов, и их активность киназы DBT снижается до самого низкого уровня из всех аллелей DBT.[7]

Нециркадский

Мутации генов часов, в том числе у дрозофилы dbt, изменяют сенсибилизацию двигательной активности, вызванной лекарственными средствами, после многократного воздействия психостимуляторы. Дрозофила с мутантными аллелями dbt не удалось отобразить локомоторную сенсибилизацию в ответ на повторные кокаин контакт.[12] Кроме того, есть экспериментальные доказательства того, что этот ген функционирует в 13 уникальных биологических процессах, включая биологическую регуляцию, процесс метаболизма фосфора, установление плоской полярности, положительное регулирование биологического процесса, клеточный процесс, процесс развития одного организма, реакцию на стимул, реакцию к органическому веществу, развитию сенсорных органов, модификации макромолекул, росту, организации клеточных компонентов или биогенезу и ритмическому процессу.[13] Альтернативное название гена, диски заросшие, относится к его роли гена, регулирующего рост клеток, который оказывает сильное влияние на выживание клеток и контроль роста в имагинальные диски, атрибут личинки летать этап. Белок необходим в механизме выживания клеток во время распространение и задержка роста.[5]

Некаталитический

Белок DBT может играть некаталитическую роль в привлечении киназ, которые фосфорилируют ЧАСЫ (CLK ), активатор транскрипции.[1] DBT играет некаталитическую роль в привлечении киназ, некоторые из которых еще не обнаружены, в петлю обратной связи транскрипции и трансляции (TTFL).[14] Каталитическая активность DBT не связана с фосфорилированием CLK или его репрессией транскрипции. Фосфорилирование PER с помощью DBT является неотъемлемой частью репрессии CLK-зависимой транскрипции. Белок DBT играет некаталитическую роль в привлечении дополнительных киназ, которые косвенно фосфорилируют CLK, тем самым подавляя транскрипцию. Похожий путь существует у млекопитающих благодаря механистической консервации гомолога CKI.[1] В 2004 г. dbts и dbtл мутанты Дросфила клеток сократилось CKI-7 Мероприятия.[15]

Гомологи млекопитающих

Казеин киназа I

В казеин киназа 1 (CKI) семейство киназ представляет собой высококонсервативную группу белков, которые встречаются в организмах из Арабидопсис, дрозофилам, людям.[16] Поскольку dbt является членом этого семейства, возникли вопросы о роли этих родственных генов в других модельных системах. У млекопитающих существует семь CKI. изоформы, все с различными ролями, связанными с фосфорилированием белков. CKIε оказался самым гомологичный to dbt, схожесть 86%.[16] Наряду с этим генетическим сходством, белки оказались функционально гомологичными. Подобно тому, как фосфорилирование с помощью dbt в Drosophila нацелено на белки PER для деградации протеасом, фосфорилирование CKIε снижает стабильность белков PER млекопитающих, помечая их для деградации.[16][17][18] Однако, хотя dbt и CKIε действительно играют сходные роли в своих соответствующих организмах, исследования эффективности CKIε у Drosophila показали, что они не являются полностью функционально взаимозаменяемыми.[19] Тем не менее, функции очень похожи. В частности, было показано, что CKIε снижает период полужизни mPER1, одного из трех гомологов PER млекопитающих.[16] Кроме того, ядерная локализация белков mPER связана с фосфорилированием, что добавляет еще одну важную роль активности белка CKIε.[16] В целом, генетическое сходство dbt и CKIε - это не конец истории; роли, которые они играют в циркадных часах в своих системах, практически идентичны. Оба участвуют в периодическом фосфорилировании, регулируя колебания циркадных часов.

Роль CKIε

Первоначально роль CKIε в циркадных часах млекопитающих была обнаружена в результате мутации у хомяков. Мутация тау в сирийском языке золотой хомяк был первым, кто показал наследственный нарушение циркадных ритмов у млекопитающих.[16] Хомяки с мутацией имеют более короткий период, чем у хомяков дикого типа. Гетерозиготы имеют период около 22 часов, в то время как период гомозигот еще короче, около 20 часов.[16] Из-за предыдущих исследований, указывающих на роль dbt в периоде установления, мутация тау оказалась в том же локусе, что и ген CKIε.[20] Таким образом, данная мутация относится к мутациям dbtS и dbtL, которые оба влияют на внутренний период мухи. Однако кажется, что движущие силы этих изменений в периоде разные. Было обнаружено, что точечная мутация, приводящая к появлению мутанта тау, снижает активность киназы CKIε. in vitro. С другой стороны, у мух dbtL мутация связана с уменьшением активности dbt и более длительным периодом. Это согласуется с другим экспериментом, проведенным на хомяках, который показал удлинение периода, вызванное ингибированием CKI.[18] Чтобы исследовать это несоответствие, исследователи изучили период полураспада PER2 под влиянием CKIε, CKIεtau и CKIε (K38A) дикого типа, который является неактивным киназой мутантом.[18] Результаты показали, что мутация тау на самом деле была мутацией с усилением функции, а не с потерей функции, которая вызвала более быструю деградацию белков PER. Следовательно, мутации тау у хомяков можно рассматривать как аналогичные мутации в dbt, которые изменяют внутренний период.

Важность ритмического фосфорилирования

Роль CKIε также была замечена у людей, связанных с Семейный синдром продвинутой фазы сна, у которых у людей период намного короче, чем у типичного человека. В данном случае это не похоже на мутацию самого белка CKIε, а вместо этого сайт привязки для фосфорилирования белка PER2.[16]

Кроме того, было показано, что киназная активность участвует в ядерная локализация PER и других генов, участвующих в циркадной ритмичности.[21] Следовательно, именно это фосфорилирование позволяет PER подавлять собственное транскрипция и задерживают циркадную систему. Без фосфорилирования PER с помощью dbt у Drosophila или с помощью CKIε у млекопитающих не было бы колебаний, потому что Обратная связь будет сломан.

Было даже высказано предположение, что это ритмическое фосфорилирование само по себе может быть движущим фактором циркадных часов. До этого момента петля отрицательной обратной связи транскрипции-трансляции была идентифицирована как источник колебаний и ритмов в биологических часах. Но эксперименты с фосфорилированием цианобактериальный белок KaiC in vitro показали, что ритмы сохраняются без какой-либо транскрипции или трансляции.[22] Следовательно, киназы, подобные dbt и CKIε, могут играть даже более важные роли в циркадных часах, чем просто нацеливание на белки для разложения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Ю В, Чжэн Х, Прайс Дж.Л., Хардин П.Е. (март 2009 г.). «DOUBLETIME играет некаталитическую роль, опосредуя фосфорилирование CLOCK и подавляя зависимую от CLOCK транскрипцию в циркадных часах дрозофилы». Мол. Клетка. Биол. 29 (6): 1452–8. Дои:10.1128 / MCB.01777-08. ЧВК  2648245. PMID  19139270.
  2. ^ Fan JY, Preuss F, Muskus MJ, Bjes ES, Price JL (январь 2009 г.). «Казеинкиназа Idelta дрозофилы и позвоночных демонстрирует эволюционное сохранение циркадной функции». Генетика. 181 (1): 139–52. Дои:10.1534 / генетика.108.094805. ЧВК  2621163. PMID  18957703.
  3. ^ а б c d е "Майкл В. Янг". Ученые и исследования. Университет Рокфеллера.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я Прайс Дж. Л., Блау Дж., Ротенфлу А., Абодели М., Клосс Б., Янг М. В. (июль 1998 г.). «Двойное время - это новый ген часов Drosophila, который регулирует накопление белка PERIOD». Клетка. 94 (1): 83–95. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81224-6. PMID  9674430.
  5. ^ а б c d е ж Броди Т. «Диски заросли: регулирование». Интерактивная муха.
  6. ^ а б c d Маскус MJ, Preuss F, Fan JY, Bjes ES, Price JL (декабрь 2007 г.). «DBT дрозофилы, лишенный активности протеинкиназы, вызывает длительные и аритмичные циркадные поведенческие и молекулярные ритмы». Мол. Клетка. Биол. 27 (23): 8049–64. Дои:10.1128 / MCB.00680-07. ЧВК  2169192. PMID  17893330.
  7. ^ а б c d е ж Сайед С., Саез Л., Янг М.В. (август 2011 г.). «Кинетика двойного времени киназозависимой деградации белка периода дрозофилы». J. Biol. Chem. 286 (31): 27654–62. Дои:10.1074 / jbc.M111.243618. ЧВК  3149356. PMID  21659538.
  8. ^ а б c Клосс Б., Ротенфлу А., Янг М.В., Саез Л. (июнь 2001 г.). «На фосфорилирование периода влияют циклические физические ассоциации двойного времени, периода и вневременности в часах дрозофилы» (PDF). Нейрон. 30 (3): 699–706. Дои:10.1016 / s0896-6273 (01) 00320-8. PMID  11430804. Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-05-12.
  9. ^ Гуд Дж, Чедвик Д. (2003). Молекулярные часы и световая сигнализация. Нью-Йорк: Вили. стр.269 –270. ISBN  978-0-470-09082-4.
  10. ^ Чиу Дж.С., Ко Х.В., Эдери И. (апрель 2011 г.). «NEMO / NLK фосфорилирует PERIOD, чтобы инициировать схему фосфорилирования с задержкой по времени, которая устанавливает циркадную тактовую частоту». Клетка. 145 (3): 357–70. Дои:10.1016 / j.cell.2011.04.002. ЧВК  3092788. PMID  21514639.
  11. ^ Фанг Й, Сатьянараянан С., Сегал А. (июнь 2007 г.). «Посттрансляционная регуляция циркадных часов дрозофилы требует протеинфосфатазы 1 (PP1)». Genes Dev. 21 (12): 1506–18. Дои:10.1101 / gad.1541607. ЧВК  1891428. PMID  17575052.
  12. ^ Розенвассер AM (июль 2010 г.). «Гены циркадных часов: нециркадные роли во сне, зависимости и психических расстройствах?». Neurosci Biobehav Rev. 34 (8): 1249–55. Дои:10.1016 / j.neubiorev.2010.03.004. PMID  20307570.
  13. ^ "Джин Дмель dco". FlyBase.
  14. ^ Цинь X, Бирн М., Сюй Y, Мори Т., Джонсон СН (2010). «Соединение основного посттрансляционного кардиостимулятора с подчиненной петлей обратной связи транскрипции / трансляции в циркадной системе». PLoS Biol. 8 (6): e1000394. Дои:10.1371 / journal.pbio.1000394. ЧВК  2885980. PMID  20563306.
  15. ^ Пройс Ф., Фан Дж. Ю., Калив М., Бао С., Шуенеманн Э., Бьес Е. С., Прайс Дж. Л. (январь 2004 г.). «Двойные мутации дрозофилы, которые сокращают или удлиняют период циркадных ритмов, снижают активность протеинкиназы казеинкиназы I». Мол. Клетка. Биол. 24 (2): 886–98. Дои:10.1128 / MCB.24.2.886-898.2004. ЧВК  343813. PMID  14701759.
  16. ^ а б c d е ж грамм час Эйде Э.Дж., Виршуп Д.М. (май 2001 г.). «Казеинкиназа I: еще один винтик в циркадном часовом механизме». Хронобиол. Int. 18 (3): 389–98. Дои:10.1081 / CBI-100103963. PMID  11475410.
  17. ^ Ванселов К., Крамер А. (2007). «Роль фосфорилирования в циркадных часах млекопитающих». Холодная весна Харб. Symp. Quant. Биол. 72: 167–76. Дои:10.1101 / sqb.2007.72.036. PMID  18419274.
  18. ^ а б c Виршуп Д.М., Эйде Э.Дж., Форгер Д.Б., Гальего М., Харниш Э.В. «Обратимое фосфорилирование белков регулирует циркадные ритмы». Холодная весна Харб. Symp. Quant. Биол. 72: 413–20. Дои:10.1101 / sqb.2007.72.048. PMID  18419299.
  19. ^ Секин Т., Ямагути Т., Хамано К., Янг М.В., Шимода М., Саез Л. (февраль 2008 г.). «Казеинкиназа I epsilon не спасает функцию двойного времени у Drosophila, несмотря на эволюционно законсервированные роли в циркадных часах». J. Biol. Ритмы. 23 (1): 3–15. Дои:10.1177/0748730407311652. PMID  18258753.
  20. ^ Lowrey PL, Shimomura K, Antoch MP, Yamazaki S, Zemenides PD, Ralph MR, Menaker M, Takahashi JS (апрель 2000 г.). «Позиционное синтеническое клонирование и функциональная характеристика тау-циркадной мутации млекопитающих». Наука. 288 (5465): 483–92. Bibcode:2000Sci ... 288..483L. Дои:10.1126 / science.288.5465.483. ЧВК  3869379. PMID  10775102.
  21. ^ Наватеан П., Столеру Д., Росбаш М. (июль 2007 г.). «Небольшой консервативный домен Drosophila PERIOD важен для циркадного фосфорилирования, ядерной локализации и активности репрессора транскрипции». Мол. Клетка. Биол. 27 (13): 5002–13. Дои:10.1128 / MCB.02338-06. ЧВК  1951469. PMID  17452453.
  22. ^ Накадзима М., Имаи К., Ито Х., Нишиваки Т., Мураяма Й., Ивасаки Х., Ояма Т., Кондо Т. (апрель 2005 г.). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования KaiC цианобактерий in vitro». Наука. 308 (5720): 414–5. Bibcode:2005Наука ... 308..414N. Дои:10.1126 / science.1108451. PMID  15831759.

внешняя ссылка