分子开关机制解释了突变如何缩短生物钟

一项关于生物钟功能核心的分子相互作用的新研究解释了某些突变如何缩短生物钟，使一些人变得极端“早起鸟”，因为他们体内的生物钟以20小时为一个周期运行，而不是与昼夜的24小时周期同步。

这项研究发表在2月11日的《eLife》杂志上，研究表明，受这些突变影响的相同的分子开关机制在从果蝇到人类的各种动物身上都发挥了作用。

加州大学圣克鲁兹分校的化学和生物化学副教授、这篇论文的通讯作者Carrie Partch说:“许多有睡眠相位障碍的人的生物钟蛋白都发生了变化。”“一般来说，使生物钟变短的基因突变会产生清晨云雀效应，而使生物钟变长的基因突变会产生明显的夜猫子效应。”

在这项新研究中，研究人员重点关注一种名为酪蛋白激酶1 (CK1)的酶的突变，这种酶调节一种称为周期(或PER)的核心时钟蛋白。CK1中改变生物钟的突变已为人所知多年，但尚不清楚它们是如何改变生物钟的。

CK1和其他激酶酶进行一种叫做磷酸化的反应，把一个磷酸盐加到另一个蛋白质上。结果表明，CK1可以磷酸化每个蛋白上的两个位点。修改一个位点可以稳定PER，而修改另一个位点则会引起PER的降解。Partch和她的同事展示了CK1或PER自身的突变如何改变平衡，促进降解而非稳定。

每一种蛋白质都是一个复杂反馈回路的一部分，在这个回路中，蛋白质丰度的变化决定了昼夜节律的时间，因此，增加每一种蛋白质降解速度的突变会打乱生物钟。

“我们发现的是这个控制每个蛋白质丰度的简洁的分子开关。当它正常工作时，就会产生一个美丽的24小时振荡。”

Partch的实验室对CK1和PER蛋白进行了结构和生化分析，揭示了开关的工作原理。为了证实试管中观察到的相互作用与活细胞中蛋白质的行为一致，他们与新加坡杜克大学-新加坡国立大学医学院的研究人员合作。加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的其他合作者进行了开关的分子动力学模拟，展示了CK1蛋白如何在两种构象之间转换，以及突变如何导致它偏爱一种构象而不是另一种。

这个开关涉及到CK1蛋白的一个叫做激活环的部分。该环的一个构象有利于CK1与PER的“degron”区域结合，在该区域磷酸化导致蛋白质的降解。CK1中改变时钟的突变导致它倾向于这种与糖结合的构象。

另一种构象倾向于与每个蛋白的FASP区域结合，因为该区域的突变会导致遗传性睡眠障碍，称为家族性晚期睡眠期综合征。无论是干扰CK1与该区域结合的FASP突变，还是有利于激活环交替构象的CK1突变，都会破坏PER的稳定。

新的发现也表明了为什么CK1与FASP区域的结合稳定了PER。通过FASP区域的磷酸化，该区域进而结合并抑制CK1，阻止其采用其他构象并磷酸化degron区域。

“它结合并锁住激酶，所以它就像一个暂停按钮，阻止了周期蛋白的过早降解，”帕奇说。“这个稳定的区域在时钟中构建了一个延迟，使其与地球的24小时日一致。”

帕奇指出，了解这些生物钟蛋白如何调节我们的昼夜节律是很重要的，因为这些节律不仅影响睡眠周期，而且几乎影响我们生理的每个方面。了解这些分子机制可能使科学家开发出干预生物钟的治疗方法，以减轻干扰，不管这些干扰是由遗传条件引起的，还是由倒班或时差引起的。

她说:“可能有办法减轻这些影响。”

CK1也很有趣，因为它似乎是生物钟最古老的组成部分。从昆虫到人类，所有动物体内都存在涉及CK1、周期和其他核心时钟蛋白的整个反馈回路。然而，在真核生物(非细菌)细胞中也发现了CK1，包括与昼夜节律有关的单细胞绿藻。

“我们的研究结果为理解CK1作为真核生物昼夜节律钟调节因子的普遍作用提供了一个机制基础，”Partch说。

除了Partch,论文的作者包括co-first作者乔纳森·菲尔波特在UCSC Rajesh Narasimamurthy Duke-NUS医学院,里奇和她在加州大学圣地亚哥分校,以及合作者阿尔弗雷德·Freeberg塞布丽娜打猎,劳伦·伊丽贝卡人士,和Sarvind Tripathi UCSC,通讯作者大卫Virshup Duke-NUS医学院。这项研究由美国国立卫生研究院和新加坡国家医学研究委员会资助。