Molekularer Schalter-Mechanismus erklärt, wie Mutationen verkürzen biologischen Uhren

Eine neue Studie von molekularen Wechselwirkungen im Zentrum der Funktionsweise von biologischen Uhren wird erläutert, wie bestimmte Mutationen können zu verkürzen clock-timing sein, so dass einige Menschen extremer „morgen Lerchen“, weil Ihre internen Uhren laufen auf eine 20-Stunden-Zyklus statt, die synchronisiert werden mit der 24-Stunden-Zyklus von Tag und Nacht.

Die Studie, veröffentlicht im Februar 11 in eLife, zeigt, dass die gleichen molekularen Schaltmechanismus betroffen sind von diesen Mutationen ist bei der Arbeit an Tieren, angefangen von Fruchtfliegen zu Menschen.

„Viele Menschen mit Schlaf-phase-Erkrankungen Veränderungen in Ihrer clock-Proteine,“ sagte Carrie Partch, außerordentlicher professor von Chemie und Biochemie an der UC Santa Cruz und einen entsprechenden Autor des Papiers. „In der Regel Mutationen, die macht die Uhr zu laufen haben eine kürzere morgen-Lerche Wirkung haben, und diejenigen, die stellen Sie die Uhr länger laufen haben eine ausgeprägte Nachteule-Effekt.“

In der neuen Studie, die Forscher konzentrierten sich auf Mutationen in einem Enzym casein kinase 1 (CK1), die regelt einen core-clock-protein, das als PERIODE (oder PRO). Uhr-verändernde Mutationen in CK1 war bekannt für Jahre, aber es war unklar, ob und wie Sie verändert das timing der Uhr.

CK1 und andere kinase-Enzyme tragen eine Reaktion genannt Phosphorylierung, indem ein Phosphat an ein protein. Es stellt sich heraus, dass CK1 kann phosphorylate entweder von zwei Seiten auf das PRO-protein. Ändern einer Website PRO stabilisiert, während die andere Modifikation löst dessen Abbau. Partch Sie und Ihre Kollegen zeigte, wie Mutationen in entweder CK1 oder PRO sich verändern, das Gleichgewicht, begünstigt Abbau über Stabilisierung.

PRO-Proteine sind Teil einer komplexen feedback-Schleife, in der Veränderungen in Ihrer fülle legen Sie das timing der circadianen Rhythmen, also Mutationen, die eine Erhöhung der rate der PRO Abbau abwerfen der Uhr.

„Was wir entdeckt haben, ist diese kleine molekulare Schalter, die fülle der PRO-Proteine. Wenn es richtig funktioniert, erzeugt es eine schöne 24-Stunden-Oszillation,“ Partch sagte.

Partch ‚ s lab durchgeführt strukturelle und biochemische Analysen des CK1 und PRO Proteine, die vorgeschlagen, dass, wie der Schalter funktioniert. Um zu bestätigen, dass die Wechselwirkungen beobachtet, die im Reagenzglas aufeinander abgestimmt, das Verhalten der Proteine in lebenden Zellen, Sie arbeiteten mit Forschern an der Duke-NUS Medical School in Singapur. Weitere Mitarbeiter an der UC San Diego Simulationen der molekularen Dynamik der switch zeigt, wie die CK1 protein-schaltet zwischen zwei Konformationen, und wie Mutationen verursachen, die es zugunsten der einen Konformation gegenüber dem anderen.

Der Schalter umfasst einen Abschnitt der CK1 protein namens der Aktivierungs-Schleife. Eine Konformation dieser Schleife begünstigt die Bindung von CK1 auf die „degron“ region “ von PRO, wo Phosphorylierung führt zu den protein-Abbau. Die Uhr-verändernde Mutationen in CK1 Ursache, die es zu Gunsten dieses degron-bindenden Konformation.

Die andere Konformation begünstigt die Bindung an eine Website, auf der PRO protein-bekannt als der FASP region, weil Mutationen in dieser region führen zu einer geerbten Schlafstörungen genannt Familial Advanced Sleep-Phase-Syndrom. Die Stabilisierung der PRO kann unterbrochen werden, indem entweder die FASP-Mutationen, die sich mit der Bindung von CK1 in diese region, oder durch die Mutationen im CK1, die zugunsten der alternativen Konformation des activation loop.

Die neuen Erkenntnisse legen auch nahe, warum die Bindung von CK1 an die FASP region stabilisiert PRO. Mit Phosphorylierung der FASP-region, die region wirkt dann zu binden und zu hemmen, CK1, um es vor der Annahme der anderen Konformation und phosphorylating die degron region.

„Es bindet und schließt die kinase nach unten, so dass es wie ein pause-Knopf, der verhindert, dass der ZEITRAUM protein wird abgebaut zu früh,“ Partch sagte. „Diese Stabilisierung der region baut eine Verzögerung in die Uhr zu machen, richten Sie mit der Erde 24-Stunden-Tag.“

Partch darauf hingewiesen, dass es wichtig ist zu verstehen, wie die clock-Proteine regulieren unsere zirkadianen Rhythmen, da diese Rhythmen beeinflussen nicht nur die Schlaf-Zyklus, aber fast jeder Aspekt unserer Physiologie. Das Verständnis dieser molekularen Mechanismen, können die Wissenschaftler Therapien entwickeln, die für Eingriffe in die Uhr zu Störungen lindern, ob Sie verursacht durch geerbte Bedingungen oder durch Schichtarbeit oder jet-lag.

„Es gibt vielleicht Möglichkeiten, um etwas abzumildern, die diese Auswirkungen“, sagte Sie.

CK1 ist auch interessant, weil es scheint zu sein, die meisten alten Komponente der biologischen Uhren. Das gesamte feedback-Schleife mit CK1 -, PERIODEN-und andere core-clock-Proteine finden sich in allen Tieren, von Insekten bis zum Menschen. CK1, jedoch findet sich auch in jeden anderen Organismus mit eukaryotischen (nichtbakterielle) Zellen, einschließlich die Einzellige grüne Algen, in die es verwickelt wurde im circadianen Rhythmen.