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Science转录调控研究的重要成果

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来源: 作者: 2019-05-16 20:14:41

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来自霍华德休斯医学研究所的研究人员发现在人体中其实不只有少数的关键基因和蛋白以24小时昼夜节律模式随日升日落循环开启和关闭。在全部机体的器官中有不计其数的基因显示出可预测的平常波动,它们的活动周期以一种复杂多样的方式受到调控。

新研究的核心在于发现了转录基因的关键酶——RNA聚合酶的功能随着昼夜节律周期而改变。相干论文发布在8月30日的《科学》(Science)杂志上。

德克萨斯大学西南医学中心HHMI研究人员Joseph S. Takahashi说了解基因如何在一整天中循环开启和关闭是理解包括人类睡眠和代谢在内的许多生物学功能的关键。“如果你对这些昼夜节律基因的靶标进行观察,顶端的类别就是代谢信号通路。时钟与逐日的代谢调控密切相关。”

Takahashi说:“这1发现为我们提供了转录时间动态的新图片。它向我们提供了一条有趣的新途径总体上视察昼夜节律周期以及聚合酶和转录物。”

自上世纪90年代发现生物钟基因Clock以来Takahashi和他的研究小组一直从事Clock基因和蛋白质产物的研究。他和其他的研究人员已经确立了CLOCK和另外两种蛋白BMAL1和NPAS2可在白天结合到基因上并激活它们,而另外4个生物钟调控因子PER1、PER2、CRY1和CRY2蛋白则在晚上抑制基因。

Takahashi和同事们想全面了解这些激活子和抑制子是如何协同作用来保持身体24小时节律的。于是他们在小鼠肝细胞中深入地研究了这些调控蛋白结合到了基因组的何处靶向了基因。当他们展开研究时,研究小组惊讶地发现有一个或多个蛋白质结合到了超过2万个位点上。所有7种蛋白都能够结合到其中超过1000个位点上,但许多的位点都只是生物钟激活子或是抑制子的靶点,并非两者共同的靶点。这一样让人感到吃惊,Takahashi说:“我们本来天真地认为它们只是全部都结合到了相同的位点。”

为了肯定生物钟蛋白如何结合影响了基因活性,科学家们继续测试了在肝脏中活性状态的所有基因逐日的表达模式。

为了开始生成活性基因的蛋白质,细胞首先要将基因中的信息转录为RNA,宝宝夏天能吹空调吗 怎样吹才健康
因此对应特异基因的RNA数量可用于测量基因活性。在RNA分子用于生成蛋白质前,RNA分子必须经过一些加工处理,这可能会影响将生成的蛋白质数量。作为这一RNA加工的部分,细胞必须切除密码中称之为内含子的间断部分。剩余称作外显子的片段包含了由基因确定用于构建蛋白质的必要信息。

为了了解更多有关生物钟基因的调控机制,Takahashi研究小组在他们的细胞中分别丈量了外显子RNA和内含子RNA的存在。

如果基因表达周期完全在转录水平上遭到调控,外显子和内含子RNA始终会在相同的时间增加或减少。但研究人员发现了一些不同的东西。超过2000个基因在外显子水平上显示出日循环表达,少于1400个基因在内含子水平上显示出昼夜节律模式。另外,内含子RNA转录物都在相同的时间循环达到高峰节水节电行为纳入学生综合素质评价
,而外显子RNA转录物的高峰则漫步于一天中不同的时间。

Takahashi 说:“当我们比较内含子和外显子循环基因组时,我们发现几乎没有重叠。只有22%的外显子循环基因在转录水平上遭到调控。”另外78%的外显子循环基因因为内含子和外显子RNA转录物不相配,增高和降低必须是产生在调控较迟水平上,而非从DNA到RNA的初始转录。

为了深入探讨在转录水平上具有周期性变化的基因调控产生的机制,并找出它们均在同一时间达到高峰的原因,Takahashi和同事们测试了转录中的第一步——RNA聚合酶II结合到基因上的计时。他发现结合在一天中结合发生远早于基因转录。转录的激活子CLOCK 和BMAL1招募RNA聚合酶II到循环起始,但受到抑制子CRY1存在的抑制。因此,在开始转录前RNA聚合酶准备或是停顿了几个小时。这些昼夜节律依赖性步骤包括了RNA聚合酶招募和从准备状态释放。

“我们最终发现RNA聚合酶II启动是在全基因组水平上具有昼夜节律的。与RNA聚合酶II和转录的全面调控一起,我们还发现了通过昼夜节律时钟染色质状态的全部调控。对维持DNA完整性至关重要的组蛋白也逾越基因组在昼夜节律基础上被广泛修饰。”这表明几近每个基因都有可能随昼夜节律周期受到调控。他补充说下一步就是要找出RNA聚合酶如何在每日基础上遭到调控,什么使得聚合酶在一天的某些时间暂停某些基因。并且当然关于其他RNA分子如何在转录后遭到调控还依然待解。

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