Geenimutatsioon häirib imetajate bioloogilist kella

Geenimutatsioon häirib imetajate bioloogilist kella
Geenimutatsioon häirib imetajate bioloogilist kella
Anonim

21. aprill 2000 – teadlased on täpselt kindlaks teinud geneetilise mutatsiooni põhjuse, mis muudab hamstri bioloogilise kella tavalisest 24-tunnisest päevast 20-tunniseks.

Ajakirja Science 21. aprilli 2000. aasta numbris teatasid Northwesterni ülikooli Howard Hughesi meditsiiniinstituudi uurija Joseph S. Takahashi ja tema kolleegid, et nad on tuvastanud tau geeni poolt kodeeritud ensüümi. esimene imetajatel avastatud ühe geeni tsirkadiaanmutatsioon. 1988. aastal kirjeldasid teadlased esmakordselt tau geeni Süüria hamstrites, millel oli tavapärasest lühem bioloogiline kell.

"Takahashi on vaieldamatult olnud üks olulisemaid geneetilisi loommudeleid ööpäevarütmide uurimisel imetajatel," ütles Takahashi. Tau mutatsiooni põhjuse väljaselgitamine pakub teadlastele uut vahendit inimeste bioloogiliste kellade mõistmiseks, aga ka potentsiaalset sihtmärki ravimitele, mis kontrollivad bioloogilist kella.

"Seoses tau kloonimisega on imetajate kellamutantide varud praeguseks ammendatud, kuid pole kahtlust, et paljud loomade kellade kriitilised elemendid on tuvastatud," kirjutab Michael W. Young. Rockefelleri ülikooli juhtkirjas, mis ilmub ajakirja Science samas numbris.

Enamik bioloogilisi kellasid töötab 24-tunnisel ehk ööpäevaringsel (ladina keeles "umbes päev"), mis reguleerib selliseid funktsioone nagu magamine ja ärkamine, puhkus ja aktiivsus, vedeliku tasakaal, kehatemperatuur, südame väljund, hapnikutarbimine ja endokriinsete näärmete sekretsioon.Imetajatel leidub ööpäevase kella põhikomponente ajurakkudes. Nendes rakkudes "keritakse" kella molekulaarseid komponente iga päev valguse ja muude stiimulite mõjul.

Takahashi ja tema Northwesterni kolleegid Phillip L. Lowrey, Kazuhiro Shimomura, Marina P. Antoch ja Peter Zemenides koos Shin Yamazaki ja Michael Menakeriga Virginia ülikoolist ning Martin R. Ralphiga Toronto ülikoolist, kasutas geneetilisi ja biokeemilisi tehnikaid, et leida tau mutatsiooniga muudetud ensüüm.

"Ralphi ja Menakeri tau mutatsiooni avastamine rohkem kui kümme aastat tagasi oli äärmiselt oluline, sest see oli esimene mutatsioon, mis muutis imetajate ööpäevast rütmi," ütles Takahashi. "Selle mutatsiooni aluseks oleva geeni tuvastamise peamine probleem oli see, et see leiti Süüria hamstrites, kes ei kuulunud inimgenoomi projektis käsitletud mudelorganismide hulka." Seega, ütles Takahashi, ei olnud hiirte ja inimeste uuringute jaoks kättesaadavad geneetilised andmed ja analüütilised meetodid hamstriuuringute jaoks kättesaadavad.

Nende takistuste ületamiseks püüdsid Takahashi ja tema kolleegid esm alt tuvastada metsikut tüüpi Süüria hamstri tüve, mis erines geneetiliselt kõigist teistest vangistuses elavatest Süüria hamstritest. Vangistuses olevad Süüria hamstrid on algselt 1929. aastal püütud hamstrite järglased.

Kui nad leidsid metsikut tüüpi hamstri tüve 1971. aastal tehtud teisest püüdmisest, kasutasid nad geneetiliselt suunatud lahutamise meetodit, mida nimetatakse geneetiliselt suunatud representatiivse erinevuse analüüsiks, et võrrelda üksikasjalikult kahe hamstri tüve ja järglaste geene. tuleneb kahe tüve ristumisest.

Sellised võrdlused võimaldasid teadlastel tuvastada tau lookusega seotud spetsiifilisi DNA segmente. Neid DNA fragmente kasutades eraldasid teadlased hamstri geenide kogudest suuremad DNA järjestused, mida nad võrdlesid hiire ja inimese geenidega. Need võrdlused näitasid, et hamstri tau geen kodeerib CKIe (kaseiinkinaas I epsilon) - ensüümi tüüpi, mida ei olnud kunagi varem seostatud imetajate ööpäevase kella mehhanismiga.

Huvitaval kombel leidsid Michael W. Young ja kolleegid Rockefelleri ülikoolist, et Drosophila ööpäevast topeltmutatsiooni kodeerib ka kaseiinkinaas I, mis on kõige sarnasem imetajate CKI epsilonvormiga.

"Meie tulemused nii geneetilise sideme analüüsist kui ka spetsiifilise geenimutatsiooni molekulaarsest analüüsist annavad kindlaid tõendeid selle kohta, et CKIe on imetajate ööpäevase kella komponent," ütles Takahashi.

Seejärel otsustasid teadlased välja selgitada, kuidas CKIe üksikute aminohapete asendused võivad ööpäevarütmi lühendada. Nad leidsid, et asendatud aminohappe põhjustatud peened struktuurimuutused muutsid ensüümi võimet toimida biokeemilise lülitina. Takahashi ütles, et mutatsioon muutis ensüümi aeglasemaks tsirkadiaanrütmi võtmegeeni PERIOD toodetud valkude sisselülitamisel. Nende tsirkadiaanvalkude taseme regulaarne tõus ja langus reguleerib bioloogilise kella iga tsükli pikkust.CKIe muutus muudab loomade ööpäevarütmi tõhus alt 24 tunnilt 20 tunnile.

Takahashi sõnul pakub CKIe geeni tsirkadiaanrütmide rolli avastamine enneolematu võimaluse inimeste bioloogilise kella kontrollimiseks mõeldud ravimite väljatöötamiseks.

"Nüüd teame, et ööpäevaseid rütme reguleerib üheksa geeni, millest kaheksa kodeerivad DNA transkriptsioonifaktoreid või transkriptsiooniregulaatoreid. CKIe on ainus geen, mis kodeerib ensüümi, mida on palju lihtsam kasutada narkootikumide sihtmärk. Sellised ravimid võivad inimese bioloogilist kella nihutada, võimaldades sellel inimesel hõlpsamini kohaneda näiteks reisimise või vahetustega töö tõttu muutuvate ajakavadega."

Spekulatiivsem, ütles Takahashi, on idee, et ööpäevaseid rütme reguleerivaid ravimeid saab kasutada kas hooajaliste afektiivsete häirete – talvel vähesest loomulikust valgusest põhjustatud depressiooni – või psühhiaatriliste häirete, nagu maniakaalne depressioon, raviks, mis näib olevat seostada unehäiretega.

"CKIe avastamine võimaldab meil uurida ka ööpäevarütmi süsteemi kineetilisi omadusi," lisas Takahashi. "Praegu saame joonistada need toredad skeemid selle kohta, kuidas süsteem toimib, kuid meil pole ikka veel aimu protsessi kiirusest. Meil ​​on nüüd CKIe sihtregulatiivne ensüüm, mida saame edasi uurida, et uurida, mis teeb imetajatel läheb kell kiiremini või aeglasem alt."

Populaarne teema