一個(gè)多學(xué)科研究小組最近進(jìn)行的一項(xiàng)研究揭示了晝夜節(jié)律的基本機(jī)制，為管理時(shí)差、失眠和其他睡眠障礙提供了新的希望。通過利用先進(jìn)的低溫電子顯微鏡技術(shù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了支配晝夜節(jié)律的光傳感器的結(jié)構(gòu)，以及它在果蠅中的目標(biāo)位點(diǎn)，果蠅是用于晝夜節(jié)律研究的主要模式生物。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然》雜志上。

研究的重點(diǎn)是果蠅的隱色體，這是包括人類在內(nèi)的植物和動(dòng)物晝夜節(jié)律鐘的關(guān)鍵組成部分。在蒼蠅和其他昆蟲中，被藍(lán)光激活的隱色體是設(shè)定晝夜節(jié)律的主要光傳感器。隱色體光傳感器的目標(biāo)，被稱為“Timeless”（TIM），是一種大型、復(fù)雜的蛋白質(zhì)，以前無法對其進(jìn)行成像，因此對其與隱色體的相互作用并不十分了解。

晝夜節(jié)律基本上是通過遺傳反饋循環(huán)來工作的。研究人員發(fā)現(xiàn)，TIM蛋白與它的伙伴Period（PER）蛋白一起作用，抑制負(fù)責(zé)其自身生產(chǎn)的基因。隨著基因表達(dá)和抑制事件之間的適當(dāng)延遲，蛋白質(zhì)水平的振蕩被確立。

有研究學(xué)者表示，這種振蕩代表了“時(shí)鐘的滴答聲，似乎對晝夜節(jié)律相當(dāng)獨(dú)特”。

克萊恩說，藍(lán)光改變了隱色體黃素輔助因子的化學(xué)和結(jié)構(gòu)，這使得該蛋白能夠與TIM蛋白結(jié)合，抑制TIM抑制基因表達(dá)的能力，從而重置振蕩。

這項(xiàng)研究的大部分艱苦工作是為了弄清楚如何產(chǎn)生隱色體CRYTIM的復(fù)合物，以便對其進(jìn)行研究，因?yàn)門IM是一個(gè)如此大的、不方便的蛋白質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)他們的成果，第一作者Changfan Lin修改了隱色體蛋白以提高隱色體-TIM復(fù)合物的穩(wěn)定性，并使用創(chuàng)新技術(shù)來純化樣品，使其適合高分辨率成像。

加州理工學(xué)院弗里德里希共濟(jì)失調(diào)研究聯(lián)盟博士后Lin說：“這些新方法使我們能夠獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖像并獲得對其功能的寶貴見解。這項(xiàng)研究不僅加深了我們對晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的理解，還為開發(fā)針對相關(guān)過程的療法提供了新的可能性?！?/p>

合著者石峰是生物物理學(xué)領(lǐng)域的博士生，他做了很多低溫電子顯微鏡的工作。Cristina C.DeOliveira是生物化學(xué)和分子及細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的博士生，也是共同作者之一。

該研究的一個(gè)意外結(jié)果揭示了細(xì)胞中DNA損傷是如何修復(fù)的。隱色體與參與修復(fù)DNA損傷的一個(gè)酶家族密切相關(guān)，稱為光解酶。這項(xiàng)研究解釋了為什么這些蛋白質(zhì)家族彼此密切相關(guān)，盡管它們正在做不同的事情，但在不同的背景下也能利用相同的分子識別。

這項(xiàng)研究還為蒼蠅的遺傳變異提供了解釋，這種變異使它們能夠適應(yīng)更高的緯度，那里冬天的白天更短，而且更涼爽。這些蒼蠅有更多的某種涉及TIM蛋白變化的遺傳變異，而且不清楚為什么這種變異可以幫助它們。研究人員發(fā)現(xiàn)，由于隱色體與TIM的結(jié)合方式，該變體降低了TIM與隱色體的親和力。然后，蛋白質(zhì)之間的相互作用被調(diào)控，光重置振蕩的能力被改變，從而改變了晝夜節(jié)律鐘，延長了蒼蠅的休眠期，這有助于它在冬季生存。

克萊恩說：“我們在這里看到的果蠅中的一些相互作用可以映射到人類蛋白質(zhì)上。這項(xiàng)研究可能有助于我們理解調(diào)節(jié)人類睡眠行為的組件之間的關(guān)鍵互動(dòng)，例如基本計(jì)時(shí)機(jī)制中的關(guān)鍵延遲是如何建立在系統(tǒng)中的?！?/p>

Lin說：“另一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)是在TIM中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)區(qū)域，稱為‘槽’，這有助于解釋TIM如何進(jìn)入細(xì)胞核。以前的研究已經(jīng)確定了參與這一過程的一些因素，但確切的機(jī)制仍然不清楚。此次研究提供了對這一現(xiàn)象的更清晰的理解?！?/p>