Войти
| Криптохром-1 | |
|---|---|
 Кристаллографическая структура Криптохрома-1 | |
| Идентификаторы | |
| Символ | CRY1 |
| Ген NCBI | 1407 |
| HGNC | 2384 |
| OMIM | 601933 |
| PDB | 5T5X |
| RefSeq | NP_004066 |
| UniProt | Q16526 |
| Прочие данные | |
| Locus | Chr. 12 q23.3 |
| Криптохром-2 | |
|---|---|
| Идентификаторы | |
| Символ | CRY2 |
| Ген NCBI | 1408 |
| HGNC | 2385 |
| OMIM | 603732 |
| PDB | 4MLP |
| RefSeq | NP_066940 |
| UniProt | Q49AN0 |
| Прочие данные | |
| Locus | Chr. 11 p11.2 |
Криптохромы (от греческого κρυπτός χρώμα, «скрытый цвет») представляют собой класс флавопротеинов, которые чувствительны к синий свет. Они обнаружены у растений и животных. Криптохромы участвуют в циркадных ритмах растений и животных и, возможно, также в ощущении магнитных полей у ряда видов. Название криптохром было предложено как портманто, объединяющее загадочную природу фоторецептора и криптогамных организмов, на которых было проведено множество исследований синего света.
два гена Cry1 и Cry2 кодируют два белка криптохрома CRY1 и CRY2. У насекомых и растений CRY1 регулирует циркадные часы светозависимым образом, тогда как у млекопитающих CRY1 и CRY2 действуют как светонезависимые ингибиторы CLOCK - BMAL1 компоненты циркадных часов. У растений фоторецепция синего света может использоваться для передачи сигналов развития. Помимо хлорофиллов, криптохромы являются единственными белками, которые, как известно, образуют фотоиндуцированные радикальные пары in vivo.
Хотя Чарльз Дарвин впервые задокументировал реакцию растений на синий свет в 1880-х годах, только в 1980-х годах исследования начали определять ответственный пигмент. В 1980 году исследователи обнаружили, что ген HY4 растения Arabidopsis thaliana был необходим для чувствительности растения к синему свету, и, когда ген был секвенирован в 1993 году, он показал высокую гомологию последовательности с фотолиазой, белок репарации ДНК, активируемый синим светом. К 1995 году стало ясно, что продукты гена HY4 и его двух человеческих гомологов не проявляют фотолиазной активности и вместо этого представляют собой новый класс фоторецепторов синего света, предположительно являющихся циркадными фотопигментами. В 1996 и 1998 гг. Гомологи Cry были идентифицированы у Drosophila и мышей соответственно.
Криптохромы (CRY1, CRY2) это эволюционно старые и высококонсервативные белки, которые принадлежат к суперсемейству флавопротеинов, существующему во всех царствах жизни. Все члены этого суперсемейства обладают характеристиками N-концевого домена гомологии фотолиазы (PHR). Домен PHR может связываться с кофактором флавинадениндинуклеотид (FAD) и светособирающим хромофором. Криптохромы происходят от фотолиаз, которые представляют собой бактериальные ферменты, которые активируются светом и участвуют в репарации повреждений ДНК, вызванных УФ-излучением, и тесно связаны с ними. У эукариот криптохромы больше не сохраняют первоначальную ферментативную активность. Структура криптохрома включает складку, очень похожую на структуру фотолиазы, с единственной молекулой FAD, нековалентно связанной с белком. Эти белки имеют переменную длину и поверхность на С-конце из-за изменений в геноме и внешнем виде, которые возникают из-за отсутствия ферментов репарации ДНК. График Рамачандрана показывает, что вторичная структура белка CRY1 в первую очередь представляет собой правостороннюю альфа-спираль с небольшим пространственным перекрытием или без него. Структура CRY1 почти полностью состоит из альфа-спиралей, с несколькими петлями и несколькими бета-листами. Молекула расположена в виде ортогонального пучка.
У растений криптохромы опосредуют фототропизм, или направленный рост к источнику света, в ответ на синий свет. Теперь известно, что этот ответ имеет свой собственный набор фоторецепторов, фототропинов.
В отличие от фитохромов и фототропинов, криптохромы не являются киназами. Их хромофор флавин восстанавливается под действием света и транспортируется в клеточное ядро , где он влияет на тургорное давление и вызывает последующее удлинение ствола. Если быть точным, Cry2 отвечает за опосредованное синим светом семядоли и разрастание листьев. Сверхэкспрессия Cry2 в трансгенных растениях увеличивает стимулированное синим светом разрастание семядолей, что приводит к появлению большого количества широких листьев и отсутствия цветков, а не нескольких первичных листьев с цветком. Двойная мутация потери функции в генах Arabidopsis thaliana Early Flowering 3 (elf3) и Cry2 задерживает цветение при постоянном освещении и, как было показано, ускоряет его в течение длинных и коротких дней, что предполагает, что Arabidopsis CRY2 может играть роль в ускорении времени цветения. при постоянном освещении.
Рецепторы криптохромов заставляют растения отвечать на синий свет посредством фотоморфогенеза. Криптохромы помогают контролировать развитие семян и рассады, а также переход от вегетативной стадии развития к стадии цветения. В Arabidopsis показано, что криптохромы контролируют рост растений в неоптимальных условиях синего света.
Несмотря на многочисленные исследования по этой теме, криптохром фоторецепция и фототрансдукция у Drosophila и Arabidopsis thaliana все еще плохо изучены. Известно, что криптохромы содержат два хромофора: птерин (в форме 5,10-метенилтетрагидрофолиевой кислоты (MTHF)) и флавин (в форме FAD). Оба могут поглощать фотон, а у Arabidopsis птерин, по-видимому, поглощает при длине волны 380 нм, а флавин - при 450 нм. Предыдущие исследования подтвердили модель, согласно которой энергия, захваченная птерином, передается флавину. Согласно этой модели фототрансдукции, FAD затем будет восстановлен до FADH, который, вероятно, опосредует фосфорилирование определенного домена в криптохроме. Это может затем запустить цепь передачи сигнала, возможно, влияя на регуляцию гена в ядре клетки.
Новая гипотеза предполагает, что в криптохромах растений преобразование светового сигнала в химический сигнал, который может восприниматься молекулами-партнерами, может быть вызван фотоиндуцированным отрицательным зарядом внутри белка - на кофакторе FAD. или на соседней аспарагиновой кислоте. Этот отрицательный заряд будет электростатически отталкивать связанную с белком молекулу АТФ и, таким образом, также C-концевой домен белка, который покрывает связывающий карман АТФ до поглощения фотона. Результирующее изменение конформации белка может привести к фосфорилированию ранее недоступных сайтов фосфорилирования на С-конце, и данный фосфорилированный сегмент может затем высвободить фактор транскрипции HY5, конкурируя за тот же сайт связывания с негативным регулятором фотоморфогенеза COP1.
У дрозофилы может действовать другой механизм. Истинное основное состояние кофактора флавина в CRY Drosophila все еще обсуждается, при этом некоторые модели показывают, что FAD находится в окисленной форме, в то время как другие поддерживают модель, в которой кофактор флавина существует в анионе радикальная форма, FAD. •. Недавно исследователи обнаружили, что окисленный FAD легко восстанавливается до FAD. • под действием света. Более того, мутации, которые блокируют фотовосстановление, не влияют на индуцированную светом деградацию CRY, в то время как мутации, которые изменяют стабильность FAD. •, разрушают функцию фоторецепторов CRY. Эти наблюдения обеспечивают поддержку основного состояния FAD. •. Исследователи также недавно предложили модель, в которой FAD. возбуждается до своего дублетного или квартетного состояния за счет поглощения фотона, что затем приводит к конформационным изменениям в белке CRY.
В губчатых глазах также выражен восприимчивый к синему свету криптохром. Большинство глаз животных используют светочувствительные белки опсин, экспрессируемые в нейронах, для передачи информации о световой среде нервной системе, тогда как личинки губок используют глаза пигментного кольца для фототактического плавания. Однако, несмотря на наличие многих других рецепторов, связанных с G-белком (GPCR), полностью секвенированный геном Amphimedon queenslandica, личинки демоспуба, по-видимому, не имеет гена светочувствительного опсина. пигмент, предполагая, что уникальные глаза губки могли развить новый механизм обнаружения света. Исследования с использованием РНК-зондов показали, что один из двух криптохромов, Aq-Cry2, вырабатывался рядом с простыми клетками глаза губки. Aq-Cry2 не обладает фотолиазной активностью и содержит кофактор на основе флавина, который реагирует на длины волн света, которые также опосредуют фотическое поведение личинок. Определяемый как опсин-кладовая GPCR, он обладает консервативным лизином основания Shiff, который играет центральную роль в функции опсина. Как и у других губок, у A. queenslandica отсутствует нервная система. Это указывает на то, что безопсиновые губчатые глаза используют криптохром, наряду с другими белками, чтобы управлять опосредованным глазом фототаксическим поведением или действовать в нем.
Исследования на животных и растениях показывают, что криптохромы играют роль ключевая роль в создании и поддержании циркадных ритмов. Точно так же криптохромы играют важную роль в захвате циркадных ритмов у растений. У дрозофилы криптохром (dCRY) действует как фоторецептор синего света, который напрямую модулирует поступление света в циркадные часы, в то время как у млекопитающих криптохромы (CRY1 и CRY2) действуют как репрессоры транскрипции в циркадном часовом механизме. У некоторых насекомых, включая бабочку-монарх, есть как млекопитающие, так и дрозофилоподобные версии криптохрома, что свидетельствует о существовании механизма часового предка, включающего как светочувствительную, так и репрессивную роль криптохрома. 67>
Cry мутанты изменили циркадные ритмы, показывая, что Cry влияет на циркадный кардиостимулятор. У дрозофилы с мутировавшим Cry цикл мРНК практически отсутствует. Точечная мутация в cry, которая необходима для ассоциации флавинов в белке CRY, не приводит к циклическому изменению белков PER или TIM ни в DD, ни в LD. Кроме того, мыши, лишенные генов Cry1 или Cry2, демонстрируют дифференцированно измененные периоды свободного бега, но все же способны к фотоэнтренменту. Однако мыши, у которых отсутствуют Cry1 и Cry2, имеют аритмию как в LD, так и в DD, и всегда имеют высокие уровни мРНК Per1. Эти результаты предполагают, что криптохромы играют фоторецептивную роль, а также действуют как негативные регуляторы экспрессии гена Per у мышей.
У дрозофилы криптохром функционирует как фоторецептор синего света. Воздействие синего света вызывает конформацию, аналогичную конформации всегда активного мутанта CRY с C-концевой делецией (CRYΔ). Период полураспада этой конформации составляет 15 минут в темноте и облегчает связывание CRY с продуктами других тактовых генов, PER и TIM, в зависимости от света. После связывания с dCRY, dTIM подвергается деградации системой убиквитин- протеасома.
Хотя световые импульсы не увлекаются, полные фотопериодные LD-циклы все же могут управлять циклами в вентральной - латеральные нейроны в головном мозге дрозофилы. Эти данные наряду с другими результатами предполагают, что CRY является клеточно-автономным фоторецептором для биологических часов у Drosophila и может играть роль в непараметрическом увлечении (увлечение короткими дискретными световыми импульсами). Однако латеральные нейроны получают световую информацию как через путь синего света CRY, так и через путь родопсина. Следовательно, CRY участвует в восприятии света и является входом в циркадные часы, однако это не единственный вход для световой информации, поскольку устойчивый ритм был продемонстрирован в отсутствие пути CRY, в котором считается, что Путь родопсина обеспечивает некоторый световой поток. Недавно было также показано, что существует опосредованная CRY световая реакция, которая не зависит от классического циркадного взаимодействия CRY-TIM. Считается, что для этого механизма необходим механизм на основе флавина редокс, который зависит от проводимости калиевых каналов. Было показано, что этот опосредованный CRY световой ответ увеличивает потенциал действия срабатывание в течение нескольких секунд после светового ответа у опсин -кокаут дрозофилы.
Криптохром, как и многие задействованные гены в циркадном ритме показывает циркадные циклы мРНК и уровней белка. У дрозофилы концентрация мРНК Cry меняется в соответствии с циклом свет-темнота (LD) с высокими уровнями на свету и низкими уровнями в темноте. Этот цикл сохраняется в постоянной темноте (DD), но с меньшей амплитудой. Транскрипция гена Cry также имеет аналогичную тенденцию. Однако уровни белка CRY изменяются по-другому, чем уровни транскрипции Cry и мРНК. При LD белок CRY имеет низкие уровни на свету и высокие уровни в темноте, а при DD уровни CRY непрерывно увеличиваются в течение субъективного дня и ночи. Таким образом, экспрессия CRY регулируется часами на уровне транскрипции и светом на трансляционном и посттрансляционном уровнях.
Сверхэкспрессия Cry также влияет на циркадные световые ответы. У дрозофилы сверхэкспрессия Cry увеличивает чувствительность мух к свету низкой интенсивности. Эта световая регуляция уровней белка CRY предполагает, что CRY играет циркадную роль выше других часовых генов и компонентов.
Криптохром является одной из четырех групп часовых генов / белков млекопитающих, которые генерировать петлю отрицательной обратной связи транскрипции-трансляции (TTFL) вместе с Period (PER), CLOCK и BMAL1. В этой петле белки CLOCK и BMAL1 являются активаторами транскрипции, которые вместе связываются с промоторами генов Cry и Per и активируют их транскрипцию. Белки CRY и PER затем связываются друг с другом, проникают в ядро и ингибируют транскрипцию, активируемую CLOCK-BMAL1.
У мышей экспрессия Cry1 отображает циркадные ритмы в супрахиазматическом ядре, a область мозга, участвующая в генерации циркадных ритмов, при этом уровни мРНК достигают пика во время светлой фазы и достигают минимума в темноте. Эти ежедневные колебания в выражении поддерживаются в постоянной темноте.
В то время как CRY была хорошо известна как гомолог ТИМА у млекопитающих, роль CRY как фоторецептор у млекопитающих была спорной. В ранних работах указывалось, что CRY выполняет как светонезависимые, так и независимые функции. Исследование 2000 года показало, что мыши без родопсина, но с криптохромом все еще реагируют на свет; однако у мышей без родопсина или криптохрома транскрипция c-Fos, медиатора светочувствительности, значительно снижается. В последние годы данные подтвердили, что меланопсин является основным циркадным фоторецептором, в частности клетки меланопсина, которые опосредуют захват и связь между глазом и супрахиазматическим ядром (SCN). Одна из основных трудностей в подтверждении или опровержении CRY как фоторецептора млекопитающих заключается в том, что при отключении гена у животного происходит аритмия, поэтому трудно измерить его способность как чисто фоторецептора. Однако некоторые недавние исследования показывают, что CRY человека может опосредовать световой ответ в периферических тканях.
Нормальный циркадный ритм млекопитающих в значительной степени зависит от задержки экспрессии Cry1 после активации промотора Cry1. В то время как ритмы активации промотора Per2 и уровни мРНК Per2 имеют почти одинаковую фазу, производство мРНК Cry1 задерживается примерно на четыре часа по сравнению с активацией промотора Cry1. Эта задержка не зависит от уровней CRY1 или CRY2 и опосредуется комбинацией элементов E / E'-box и D-box в промоторе и RevErbA / ROR связывающих элементов (RRE) в первом интроне гена. Трансфекция аритмичных Cry1 Cry2 клеток с двойным нокаутом только с промотором Cry1 (вызывающим конститутивную экспрессию Cry1) недостаточна для восстановления ритмичности. Трансфекция этих клеток как промотором, так и первым интроном необходима для восстановления циркадных ритмов в этих клетках.
Экспериментальные данные показывают, что криптохромы в фоторецепторных нейронах глаза птиц участвуют в магнитной ориентации во время миграции. Также считается, что криптохромы необходимы для светозависимой способности Drosophila воспринимать магнитные поля. Когда-то сообщалось, что магнитные поля влияют на криптохромы и у растений Arabidopsis thaliana: на поведение роста, по-видимому, влияли магнитные поля в присутствии синего (но не красного) света. Тем не менее, эти результаты позже оказались невоспроизводимыми в строго контролируемых условиях в другой лаборатории, предполагая, что криптохромы растений не реагируют на магнитные поля.
Криптохром образует пару радикалов с коррелированными спинами при воздействии синего света. Радикальные пары также могут быть образованы независимым от света темновым повторным окислением кофактора флавина молекулярным кислородом посредством образования спин-коррелированных радикальных пар FADH-супероксид. Предполагается, что магниторецепция действует через влияние окружающего магнитного поля на корреляцию (параллельную или антипараллельную) этих радикалов, которая влияет на время жизни активированной формы криптохрома. Активация криптохрома может повлиять на светочувствительность нейронов сетчатки, в результате чего животное может ощущать магнитное поле. Криптохромы животных и близкородственные (6-4) фотолиазы животных содержат более длинную цепь переносящих электроны триптофанов, чем другие белки суперсемейства криптохром-фотолиаз (тетрада триптофана вместо триады). Более длинная цепь приводит к лучшему разделению и более чем в 1000 раз большему времени жизни фотоиндуцированных радикальных пар флавин-триптофан, чем в белках с триадой триптофанов. Отсутствие спин-селективной рекомбинации этих радикальных пар во временных масштабах от наносекунд до микросекунд, по-видимому, несовместимо с предположением, что магниторецепция криптохромами основана на реакции прямого света.
