Войти
A циркадные часы, или циркадный осциллятор, является биохимический осциллятор, который циклически повторяется со стабильной фазой и синхронизируется с солнечным временем.
. Период таких часов in vivo обязательно составляет почти ровно 24 часа (земные текущие солнечные сутки ). У большинства живых существ внутренне синхронизированные циркадные часы позволяют организму предвидеть ежедневные изменения окружающей среды, соответствующие циклу день-ночь, и соответственно корректировать свою биологию и поведение.
Термин циркадный происходит от латинского слова около (около) diem (день), поскольку вдали от внешних сигналов (таких как окружающий свет) они не достигают ровно 24 часов. Например, часы у людей в лаборатории при постоянном слабом освещении будут в среднем около 24,2 часа в день, а не ровно 24 часа.
Нормальные биологические часы колеблются с эндогенным периодом ровно 24 часа, это увлекает, когда ежедневно получает достаточное количество корректирующих сигналов из окружающей среды, в первую очередь дневного света и темноты. Циркадные часы - это центральные механизмы, управляющие циркадными ритмами. Они состоят из трех основных компонентов:
Часы сбрасываются, когда организм воспринимает временные сигналы окружающей среды из которых основной свет. Циркадные осцилляторы распространены повсеместно в тканях организма, где они синхронизируются как эндогенными, так и внешними сигналами, чтобы регулировать транскрипционную активность в течение дня тканеспецифичным образом. Циркадные часы связаны с большинством клеточных метаболических процессов, и на них влияет старение организма. Основные молекулярные механизмы биологических часов были определены у позвоночных видов, Drosophila melanogaster, растений, грибов, бактерий. и, предположительно, также в архее.
В 2017 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Джеффри К. Холлу, Майклу Росбашу. и Майкл В. Янг «за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм» у плодовых мушек.
Я У позвоночных главные циркадные часы содержатся в супрахиазматическом ядре (SCN), двустороннем нервном кластере, состоящем примерно из 20 000 нейронов. Сам SCN расположен в гипоталамусе, небольшой области мозга, расположенной непосредственно над перекрестом зрительного нерва, где он получает входные данные от специализированных светочувствительных ганглиозных клеток в сетчатка через ретиногипоталамический тракт.
SCN поддерживает контроль по всему телу, синхронизируя «подчиненные осцилляторы», которые демонстрируют свои собственные почти 24-часовые ритмы и контролируют циркадные явления в местной ткани. Посредством межклеточных сигнальных механизмов, таких как вазоактивный кишечный пептид, SCN сигнализирует другим ядрам гипоталамуса и шишковидной железе, чтобы модулировать температуру тела и выработку гормонов, таких как кортизол и мелатонин ; эти гормоны проникают в систему кровообращения и вызывают воздействие часов во всем организме.
Однако неясно, какой именно сигнал (или сигналы) вызывает основное вовлечение многих биохимических часов, содержащихся в тканях по всему телу. См. Более подробную информацию в разделе «Регулирование циркадных осцилляторов» ниже.
Доказательства генетической основы циркадных ритмов у высших эукариот начались с открытия периода (согласно) локуса в Drosophila melanogaster в результате прямого генетического скрининга, завершенного Роном Конопкой и Сеймуром Бензером в 1971 году. и была предложена отрицательная ауторегуляторная обратная связь петли транскрипции и трансляции. Основные гены циркадных «часов» определяются как гены, белковые продукты которых являются необходимыми компонентами для генерации и регуляции циркадных ритмов. Подобные модели были предложены у млекопитающих и других организмов.
Исследования на цианобактериях, однако, изменили наше представление о часовом механизме, поскольку Кондо и его коллеги обнаружили, что эти одноклеточные организмы могут поддерживать точные 24- часовое время в отсутствие транскрипции, то есть не было необходимости в петле авторегуляторной обратной связи транскрипции-трансляции для ритмов. Более того, эти часы были реконструированы в пробирке (то есть в отсутствие каких-либо клеточных компонентов), доказав, что точные 24-часовые часы могут быть сформированы без необходимости в цепях генетической обратной связи. Однако этот механизм был применим только к цианобактериям, а не к родовым.
В 2011 году серьезный прорыв в понимании происходил в лаборатории Редди в Кембриджском университете. Эта группа обнаружила циркадные ритмы окислительно-восстановительных белков (пероксиредоксинов ) в клетках, лишенных ядра - красных кровяных тельцах человека. В этих клетках не было транскрипции или генетических цепей, а значит, и петли обратной связи. Подобные наблюдения были сделаны на морских водорослях, а затем и на эритроцитах мышей. Что еще более важно, окислительно-восстановительные осцилляции, демонстрируемые ритмами пероксиредоксина, теперь наблюдались во многих далеких царствах жизни (эукариоты, бактерии и археи), охватывающих древо эволюции. Таким образом, окислительно-восстановительные часы выглядят как старые часы, а цепи генетической обратной связи - основные выходные механизмы для управления физиологией и поведением клеток и тканей.
Следовательно, модель часов должна быть рассматривается как продукт взаимодействия между транскрипционными цепями и нетранскрипционными элементами, такими как окислительно-восстановительные колебания и циклы фосфорилирования белков.
Селективный нокдаун гена известных Компоненты циркадных часов человека демонстрируют как активные компенсаторные механизмы, так и избыточность, которые используются для поддержания функции часов. Каким образом эти самоподдерживающиеся клеточные часы достигают многоклеточной интеграции, в значительной степени неясно, но астроциты сами по себе могут управлять молекулярными колебаниями в SCN и циркадным поведением у мышей.
Было идентифицировано несколько генов часов млекопитающих. и охарактеризован с помощью экспериментов на животных, укрывающих естественные, химически индуцированные и целевые нокаут-мутации, а также различных сравнительных геномных подходов. Большинство идентифицированных часовых компонентов являются активаторами транскрипции или репрессорами, которые модулируют стабильность белка и ядерную транслокацию и создают две взаимосвязанные петли обратной связи. В первичной петле обратной связи члены семейства факторов транскрипции основная спираль-петля-спираль (bHLH) -PAS (Period-Arnt-Single-minded), CLOCK и BMAL1, гетеродимеризуется в цитоплазме с образованием комплекса, который после транслокации в ядро инициирует транскрипцию генов-мишеней, таких как гены периодов основных часов (PER1, PER2 и PER3 ) и два гена криптохрома (CRY1 и CRY2 ). Отрицательная обратная связь достигается за счет гетеродимеров PER: CRY, которые перемещаются обратно в ядро для репрессии собственной транскрипции путем ингибирования активности комплексов CLOCK: BMAL1. Другая регуляторная петля индуцируется, когда гетеродимеры CLOCK: BMAL1 активируют транскрипцию Rev-ErbA и Rora, двух орфанных ядерных рецепторов, связанных с ретиноевой кислотой. REV-ERBa и RORa впоследствии конкурируют за связывание (RORE), присутствующие в промоторе Bmal1. Посредством последующего связывания RORE члены ROR и REV-ERB способны регулировать Bmal1. В то время как ROR активируют транскрипцию Bmal1, REV-ERB репрессируют тот же процесс транскрипции. Следовательно, циркадные колебания Bmal1 как положительно, так и отрицательно регулируются ROR и REV-ERB.
У D. melanogaster цикл генов (CYC) является ортологом BMAL1. у млекопитающих. Таким образом, димеры CLOCK – CYC активируют транскрипцию циркадных генов. Ген вневременной жизни (TIM) является ортологом CRY млекопитающих в качестве ингибитора; CRY D. melanogaster вместо этого функционирует как фоторецептор. У мух CLK – CYC связывается с промоторами генов, регулируемых циркадным ритмом, только во время транскрипции. Также существует стабилизирующая петля, в которой ген vrille (VRI) ингибирует, тогда как PAR-домен-белок-1 (PDP1) активирует транскрипцию часов.
В мицелиальных грибах N. crassa часовой механизм аналогичен, но не ортологичен механизму млекопитающих и мух.
Циркадные часы у растений состоят из компонентов, совершенно отличных от таковых у животных, грибов или бактерий.. Часы для растений имеют концептуальное сходство с часами для животных в том, что они состоят из серии взаимосвязанных петель транскрипционной обратной связи. Гены, участвующие в часах, демонстрируют пиковую экспрессию в фиксированное время дня. Первыми генами, идентифицированными в часах растений, были TOC1, CCA1 и LHY. Пик экспрессии генов CCA1 и LHY происходит на рассвете, а пик экспрессии гена TOC1 - примерно в сумерках. Белки CCA1 / LHY и TOC1 подавляют экспрессию генов друг друга. В результате, когда уровни белка CCA1 / LHY начинают снижаться после рассвета, он ослабляет репрессию гена TOC1, позволяя экспрессии TOC1 и уровням белка TOC1 увеличиваться. По мере увеличения уровня белка TOC1 он дополнительно подавляет экспрессию генов CCA1 и LHY. Противоположность этой последовательности происходит в течение ночи, чтобы восстановить пик экспрессии генов CCA1 и LHY на рассвете. В часы встроено гораздо больше сложности, с множеством петель, включающих гены PRR, Evening Complex и светочувствительные белки GIGANTIA и ZEITLUPE.
В бактериальных циркадных ритмах колебания фосфорилирования цианобактериального белка C Kai были восстановлены в бесклеточная система (часы in vitro) путем инкубации KaiC с KaiA, KaiB и ATP.
Долгое время считалось, что циклы транскрипционной активации / репрессии, управляемые регуляторами транскрипции, составляющими циркадные часы, являются основной движущей силой экспрессии циркадных генов у млекопитающих. Однако совсем недавно было сообщено, что только 22% генов циклического обмена информационной РНК управляются транскрипцией de novo. Позже были описаны посттранскрипционные механизмы, управляющие ритмической экспрессией белков на уровне РНК, такие как динамика полиаденилирования мРНК.
Фустин и его сотрудники идентифицировали метилирование внутренних аденозинов (мА) внутри мРНК (особенно самих транскриптов часов) как ключевой регулятор циркадного периода. Ингибирование метилирования mA посредством фармакологического ингибирования клеточного метилирования или, более конкретно, посредством siRNA-опосредованного подавления mA-метилазы Mettl3, привело к резкому удлинению циркадного периода. Напротив, сверхэкспрессия Mettl3 in vitro приводит к более короткому периоду. Эти наблюдения ясно продемонстрировали важность посттранскрипционной регуляции циркадных часов на уровне РНК и одновременно установили физиологическую роль метилирования (мА) РНК.
Ауторегуляция Петли обратной связи в часах занимают около 24 часов для завершения цикла и составляют циркадные молекулярные часы. Это формирование ~ 24-часовых молекулярных часов регулируется посттрансляционными модификациями, такими как фосфорилирование, сумоилирование, ацетилирование гистонов и метилирование и убиквитинирование. Обратимое фосфорилирование регулирует важные процессы, такие как проникновение в ядро, образование белковых комплексов и деградацию белка. Каждый из этих процессов вносит значительный вклад в поддержание периода около 24 часов и обеспечивает точность циркадных часов, влияя на стабильность вышеупомянутых белков ядра часов. Таким образом, хотя регуляция транскрипции генерирует ритмические уровни РНК, регулируемые посттрансляционные модификации контролируют обилие белков, субклеточную локализацию и репрессорную активность PER и CRY.
Белки, ответственные за посттрансляционную модификацию часовых генов, включают казеинкиназу члены семейства (казеинкиназа 1 дельта (CSNK1D) и казеинкиназа 1 эпсилон (CSNK1E) и F-бокс белок 3 с богатым лейцином повтора (FBXL3). У млекопитающих CSNK1E и CSNK1D являются критическими факторами, которые регулируют оборот основного циркадного белка. Экспериментальные манипуляции с любым из этих белков приводят к драматическим эффектам на циркадные периоды, например к изменению активности киназ и сокращению циркадных периодов, что дополнительно демонстрирует важность посттрансляционной регуляции в основном механизме циркадных часов. Эти мутации вызывают особый интерес у людей, так как они участвуют в прогрессирующем расстройстве фазы сна. дер. Небольшая модификация связанного с убиквитином белка-модификатора BMAL1 также была предложена в качестве еще одного уровня посттрансляционной регуляции.
Циркадные осцилляторы - это просто осцилляторы с периодом примерно 24 часов. В ответ на световой раздражитель тело соотносится с системой и сетью путей, которые работают вместе, чтобы определить биологический день и ночь. Регуляторные сети, участвующие в поддержании точного времени в диапазоне механизмов посттрансляционной регуляции. Циркадные осцилляторы могут регулироваться фосфорилированием, SUMOylation, убиквитинированием и ацетилированием и деацетилированием гистонов, ковалентной модификацией гистонового хвоста, которая контролирует уровень структур хроматина. вызывая более легкую экспрессию гена. Метилирование структуры белка добавляет метильную группу и регулирует функцию белка или экспрессию гена, а при метилировании гистонов экспрессия гена либо подавляется, либо активируется путем изменения последовательности ДНК. Гистоны подвергаются процессу ацетилирования, метилирования и фосфорилирования, но основные структурные и химические изменения происходят, когда ферменты гистонацетилтрансферазы (HAT) и гистондеацетилазы (HDAC) добавляют или удаляют ацетильные группы из гистон, вызывающий серьезные изменения в экспрессии ДНК. Изменяя экспрессию ДНК, ацетилирование и метилирование гистонов регулируют работу циркадного осциллятора. Фустин и его сотрудники представили новый уровень сложности регуляции циркадного осциллятора у млекопитающих, показав, что метилирование РНК необходимо для эффективного экспорта зрелой мРНК из ядра: ингибирование метилирования РНК вызывает ядерное удержание транскриптов часового гена, что приводит к на более длительный циркадный период.
Ключевой особенностью часов является их способность синхронизироваться с внешними стимулами. Присутствие автономных осцилляторов клеток почти в каждой клетке тела поднимает вопрос о том, как эти осцилляторы координируются во времени. Поиск универсальных сигналов времени для периферийных часов у млекопитающих привел к появлению таких основных сигналов вовлечения, как питание, температура и кислород. Было показано, что и ритмы кормления, и температурные циклы синхронизируют периферические часы и даже отключают их от главных часов в мозгу (например, дневное ограниченное кормление). Недавно было обнаружено, что кислородные ритмы синхронизируют часы в культивируемых клетках.
Современные экспериментальные подходы с использованием системной биологии выявили много новых компонентов в биологические часы, которые предлагают комплексный взгляд на то, как организмы поддерживают циркадные колебания.
Недавно Baggs et al. разработал новую стратегию, названную «Сетевой анализ дозировки генов» (GDNA), для описания сетевых характеристик в циркадных часах человека, которые вносят вклад в устойчивость организма к генетическим нарушениям. В своем исследовании авторы использовали малую интерферирующую РНК (siRNA), чтобы вызвать дозозависимые изменения в экспрессии генов часовых компонентов в иммортализованных клетках U2OS остеосаркомы человека, чтобы построить сети ассоциации генов, соответствующие известным биохимическим ограничениям в циркадные часы млекопитающих. Использование нескольких доз миРНК привело к их количественной ПЦР, чтобы выявить некоторые сетевые особенности циркадных часов, включая пропорциональные ответы экспрессии генов, распространение сигнала через взаимодействующие модули и компенсацию за счет изменений экспрессии генов.
Пропорциональные ответы в экспрессии нижележащих генов после siRNA-индуцированного возмущения выявили уровни экспрессии, которые были активно изменены по отношению к подавляемому гену. Например, когда Bmal1 подавлялся дозозависимым образом, уровни мРНК Rev-ErbA alpha и Rev-ErbA beta снижались линейно, пропорционально. Это подтвердило предыдущие открытия, что Bmal1 непосредственно активирует гены Rev-erb, и дополнительно предполагает, что Bmal1 является сильным участником экспрессии Rev-erb.
Кроме того, метод GDNA предоставил основу для изучения механизмов биологических реле в циркадных сетях, через которые модули сообщают об изменениях в экспрессии генов. Авторы наблюдали распространение сигнала через взаимодействия между активаторами и репрессорами и выявили однонаправленную компенсацию паралогов между несколькими репрессорами часового гена - например, когда PER1 истощен, наблюдается увеличение Rev-erbs, которое, в свою очередь, распространяется сигнал для уменьшения экспрессии в BMAL1, мишени репрессоров Rev-erb.
Изучая нокдаун нескольких репрессоров транскрипции, GDNA также выявила компенсацию паралогов, при которой паралоги генов активируются посредством активного механизма, с помощью которого функция гена замещается после нокдауна без отказа, то есть одного компонента достаточно для поддержания функция. Эти результаты также свидетельствуют о том, что сеть часов использует активные компенсирующие механизмы, а не простую избыточность, чтобы обеспечить надежность и поддерживать функцию. По сути, авторы предположили, что наблюдаемые сетевые особенности действуют согласованно как система генетической буферизации, чтобы поддерживать функцию часов перед лицом генетических и экологических возмущений. Следуя этой логике, мы можем использовать геномику для исследования сетевых функций в циркадном осцилляторе.
Другое исследование, проведенное Zhang et al. также использовали скрининг малой интерферирующей РНК по всему геному в линии клеток U2OS для идентификации дополнительных тактовых генов и модификаторов с использованием экспрессии репортерного гена люциферазы. Нокдаун почти 1000 генов снизил амплитуду ритма. Авторы обнаружили и подтвердили сотни сильных эффектов на длину периода или увеличение амплитуды вторичных экранов. Характеристика подмножества этих генов продемонстрировала дозозависимый эффект на функцию осциллятора. Сетевой анализ взаимодействия белков показал, что десятки генных продуктов прямо или косвенно связаны с известными компонентами часов. Анализ пути показал, что эти гены чрезмерно представлены в компонентах инсулина и пути передачи сигналов hedgehog, клеточного цикла и метаболизма фолиевой кислоты. В сочетании с данными, демонстрирующими, что многие из этих путей регулируются часами, Zhang et al. постулировали, что часы взаимосвязаны со многими аспектами клеточной функции.
A подход системной биологии может связать циркадные ритмы с клеточными явлениями, которые изначально не считались регуляторами циркадных колебаний. Например, семинар 2014 года в NHLBI оценил новые циркадные геномные данные и обсудил взаимодействие между биологическими часами и многими различными клеточными процессами.
Хотя точные 24-часовые циркадные часы встречаются у многих организмов, они не универсальны. Организмы, живущие в высоких широтах Арктики или Антарктики, не испытывают солнечного времени в любое время года, хотя считается, что большинство из них поддерживает циркадный ритм, близкий к 24 часам, например, медведи в оцепенении. Большая часть биомассы Земли находится в темной биосфере, и хотя эти организмы могут проявлять ритмическую физиологию, для этих организмов доминирующий ритм вряд ли будет циркадным. Для организмов, мигрирующих с востока на запад, и особенно для организмов, которые летают вокруг земного шара, абсолютная 24-часовая фаза может изменяться в течение месяцев, сезонов или лет.
У некоторых пауков необычно длинные или короткие циркадные часы. Некоторые ткачи или ткачи, например, имеют 18,5-часовые циркадные часы, но все же могут перейти в 24-часовой цикл. Эта адаптация может помочь паукам избегать хищников, позволяя им быть наиболее активными до восхода солнца. Часы черных вдов 'аритмичны, возможно, из-за их предпочтения в темноте.
