昆虫生物钟分子调控研究进展

昆虫生物钟节律的研究是人类了解生物节律的重要途径。昆虫在生理和行为上具有广泛的节律活动,如运动、睡眠、学习记忆、交配、嗅觉等节律活动,其中昼夜活动行为节律的研究广泛而深入。昆虫乃至高等动物普遍具有保守的昼夜节律系统,昼夜生物钟节律主要包括输入系统:用于接受外界光和温度等环境信号并传入核心振荡器,使得生物时钟与环境同步;核心时钟系统:自我维持的昼夜振荡器;输出系统:将生物钟产生的信号传递出去而控制生物行为和生理的节律变化。早期分子和遗传学研究主要关注昼夜节律振荡器的分子机制及神经生物学,阐明了昼夜生物钟节律的主要分子机制及相关神经网络。最近更多的研究关注生物钟信号是如何输入和输出。本文以果蝇运动节律的相关研究为主要内容,围绕生物钟输入系统、振荡器、输出系统这3个组成部分对昆虫生物钟研究进展进行总结。     

粗糙脉孢菌及其他真菌中生物钟系统研究进展

地球自转形成的昼夜交替促使地球上的生物在体内进化出了能够测量时间的"生物钟"系统,此系统由输入途径、核心振荡器和输出途径3部分组成。"光逃避"假说为生物钟的进化提供了一种合理的解释。作为研究生物钟的理想模式生物之一,粗糙脉孢菌生物钟的核心振荡器是由正调控因子WC-1、WC-2和负调控因子FRQ、FRH组成的一个基于转录/翻译的负反馈调控环路。输入途径感知光照、温度等环境信号并将其传递到核心振荡器,进而调控下游一系列钟控基因表达,输出昼夜节律。此外,粗糙脉孢菌中还存在不依赖于WC复合体的frq基因的转录,其调控方式的解析进一步丰富了生物钟的调控网络。最后,通过比较并探索其他真菌中生物钟系统组成及运行机制,使我们对真菌生物钟的进化历程及生物体对环境的整体适应性有了更加全面而深刻的认识。     

植物生物钟及其调控生长发育的研究进展

作为植物细胞内部的授时机制, 生物钟系统主要包括信号输入、核心振荡器和信号输出3个主要部分。该系统通过感受外界光照和温度等环境因子的昼夜周期性变化动态, 协调植物生长发育、代谢与生理反应, 赋予植物对生存环境的适应性。植物生物钟系统的核心振荡器通过多层级调控复杂的下游信号转导网络来参与调节植物生长发育及对生物与非生物胁迫的适应性。该文概述了近年来生物钟核心振荡器及其调控植物生长发育过程诸方面的研究进展, 并初步提出了植物时间生物学研究领域一些亟待解决的科学问题, 以期为生物钟领域的研究成果在作物分子育种方面的利用提供理论借鉴。     

KaiA调控蓝藻生物钟的分子机制研究进展

蓝藻生物钟系统主要包括输入途径、核心振荡器和输出途径3部分,核心振荡器主要由时钟蛋白KaiA、KaiB、KaiC构成。3种蛋白之间的相互作用产生节律信号及调控输入、输出信号进而维持生物振荡的精确与稳定。文中围绕蓝藻生物钟核心振荡器及核心振荡器组成蛋白的结构、功能与相互作用特点,结合本实验室近期取得的研究成果,针对时钟蛋白KaiA调节KaiC的酶活性、介导核心振荡器的时相重置、与CikA竞争KaiB的结合位点等方面近年来的研究进展进行了综述。     

光对植物生物钟的调节

植物中的许多生理和生化反应都表现出一种内源的近似于24小时的昼夜节律现象,这些昼夜节律现象受生物钟的调节。高等植物的生物钟系统由输入途径、中央振荡器、输出途径以及一个阀门效应器组成。光信号通过光敏色素和隐花色素进入生物钟,使中央振荡器产生振荡,改变生物钟的输出信号,引起各种生理反应。本文综述了光信号对高等植物生物钟的调节作用和转导途径。     

光对植物生物钟的调节

植物中的许多生理和生化反应都表现出一种内源的近似于24小时的昼夜节律现象,这些昼夜节律现象受生物钟的调节.高等植物的生物钟系统由输入途径、中央振荡器、输出途径以及一个阀门效应器组成.光信号通过光敏色素和隐花色素进入生物钟,使中央振荡器产生振荡,改变生物钟的输出信号,引起各种生理反应.本文综述了光信号对高等植物生物钟的调节作用和转导途径.     

铜绿微囊藻生物钟蛋白KaiA的自身相互作用研究

正蓝藻虽为原核生物,但它也和真核生物一样具有生物钟,它的固氮作用、光合作用、氨基酸吸收、细胞分裂以及基因表达等生理代谢过程都受到生物钟的调控,具有昼夜节律性。虽然蓝藻生物钟和真核生物钟一样,都以近24h的周期运行,都具有温度补偿效应,光、温等环境因素都能重置生物钟的时相,但组成蓝藻生物钟的钟蛋白与真核生物钟蛋白间不具有任何同源性,蓝藻生物钟的计时机制也与真核生物钟存在差异1-2。蓝藻钟基因为一个基因簇kai,由三个基因kaiA、kaiB、kaiC以单一拷贝成簇排列,Kai蛋白组成蓝藻生物钟的核心即中央振荡器,其中kaiC蛋白的磷酸化状态是中央振荡器产生周期性震荡的关键,它决定中央振荡器的时相,而kaiC的磷酸化状态则受到kaiA和kaiB的调节。kaiA是接受和整合环境信息的钟蛋白,具有N-端和C-端两个结构域,N-端缺乏保守天冬氨酰残基的伪接受域能通过与输入途径的某种蛋白(目前未知)发生相互作用而感受环境信号       

植物生物钟与关键农艺性状调控

生物钟参与调控植物体几乎全部的生长发育和新陈代谢过程,赋予植物体"预知"外界环境条件变化的能力,使得其生理生化反应与外界环境达到时空同步,从而获取更多的资源,减少能量消耗,增强植物体环境适应性和竞争能力。现概括介绍了植物生物钟领域的最新研究进展,包括由核心调控组分构成的多重转录-翻译反馈环路,特别强调了生物钟输出途径的研究成果,以期促进生物钟基础理论研究应用于农业生产的可行性探索。     

CONSTANS LIKE 7参与调控拟南芥生物钟

植物的生物钟节律可以被环境中的光/黑暗以及冷/热循环所诱导,并使其与环境同步。植物生物钟由输入途径、中央振荡器、输出途径组成。目前对植物生物钟的研究已经揭示生物钟最基本的组成,但是关于生物钟的运作机理及网络还需要进一步研究。CONSTANS LIKE 7(COL7)是CONSTANS(CO)的家族基因。以拟南芥野生型(wild type,WT)、突变体col7以及COL7过量表达转基因株系COL7-OX-10和COL7-OX-11为材料,利用定量PCR、叶片运动等方法,分析COL7是否受生物钟调控以及COL7是否参与调控生物。实验结果显示:COL7不仅受生物钟调控,同时也参与调控生物钟。     

蓝藻生物节律性分子调控机制的研究进展

生物钟现象是一种普遍存在于生物界细胞的内源节律性保持机制。生物钟机制的存在可以使生物体的代谢行为产生并维持以24 h为周期的昼夜节律,从而更好地适应于地球自转所产生的环境条件昼夜间节律性变化。蓝藻是目前生物钟分子机制研究中的模式生物,其依赖于k ai基因家族成员的核心生物钟调控模式已经被众多研究者详细阐明。蓝藻生物钟的核心振荡器是由蓝藻k aiA/B/C的编码产物来调控的,Kai蛋白的表达模式具有节律性。KaiC蛋白磷酸化状态的节律性循环及输入、输出途径相关组成蛋白的翻译后修饰状态节律性循环共同组成其反馈回路,负责维持生物钟节律性振荡的持续进行并与环境周期保持同步。传统的蓝藻生物钟分子机制模型认为,节律性表达基因翻译产物的转录/翻译负反馈抑制环是生物节律性维持和输出的关键。遗憾的是,在其它物种生物钟分子机制研究中未发现由kai基因家族成员同源基因组成的节律性标签,这表明以k aiA/B/C为核心振荡器的生物钟系统并不是一种跨物种保守的生物钟系统。近期,人们发现非转录/翻译依赖的振荡器(NTO)也具有成为生物节律性产生和维持的“源动力”的可能。过氧化物氧化还原酶(PRX)氧化还原状态节律性是第一种被报道的跨物种保守的NTO节律性标签,这也日渐成为蓝藻生物钟分子机制研究新的热点。     

蓝藻生物钟分子机理的研究进展

蓝藻是具有内源性生物钟的简单生物.虽然蓝藻生物钟具有跟真核生物同样的基础特征,但其相关基因和蛋白质与真核生物没有同源性.蓝藻生物钟的核心是kai基因簇及其编码的蛋白KaiA,KaiB和KaiC.这三种Kai蛋白相互作用调节KaiC的磷酸化状态,从而产生昼夜节律信息.KaiC的磷酸化循环是昼夜节律的起博器,调控包括kai基因在内的相关基因的节律性表达.组氨酸蛋白激酶的磷酸化传递可将环境信息输入和将节律信息输出生物钟核心.     

生物钟信号调控的营养学

近日节律是生物界普遍存在的一种生理现象,而内源性生物钟是产生近日节律的物质基础,它能使生物体感知并适应环境中的光、温度和食物等周期信号,从而使生物体与外界环境保持周期同步。研究表明,葡萄糖、胆固醇、腺苷、咖啡因、维生素A和视黄酸等营养物质能通过各自不同的方式调控哺乳动物的生物钟,影响其近日节律的信号输出。本文概述了至今为止研究发现的各类与生物钟信号调控相关的营养物质及功能的相关研究进展。     

时间生物学—2017年诺贝尔生理或医学奖解读

时间生物学主要研究生物节律的产生及生物钟的运行机制,2017年诺贝尔生理或医学奖的颁布再次引发人们对该领域诸多科学问题的高度关注。生物钟与日月运行引起的环境信号周期性保持同步,有利于生物节律的相位和组织稳态的精确维持。本文介绍了生物节律现象的早期研究及随后生物钟理论体系建立的发展简史,并结合2017年诺贝尔生理或医学奖的解读阐述了果蝇生物钟基因的发现与分子调控机理,进而简单归纳当前时间生物学领域的前沿科学问题,阐明生物钟研究的意义。     

哺乳动物生物钟的遗传和表观遗传研究进展

生物钟对生物机体的生存与环境适应具有着重要意义,其相关研究近年来受到人们的广泛关注。生物钟的重要性质之一是内源节律的周期性,当前的研究认为这种周期性是由生物钟相关基因转录翻译的多反馈环路构成核心机制调控着近似24 h的节律振荡。哺乳动物的生物钟系统存在一个多层次的结构,包括位于视交叉上核的主时钟和外周器官和组织的子时钟。虽然主时钟和子时钟存在的组织不同,但是参与调节生物钟的分子机制是一致的。近年来,通过正向、反向遗传学方法和表观遗传学的研究方法,对生物钟的分子机制的解析和认知愈发深入。本文在简单回顾生物钟基因发现历史的基础上,重点从遗传学和表观遗传学两个方面,从振荡周期的角度,对哺乳动物生物钟分子机制的研究进展进行了综述性介绍,以期为靶向调节生物钟来改善机体的稳态系统的研究提供参考,同时希望能促进时间生物学领域与更多其他领域形成交叉研究。     

果蝇昼夜节律生物钟机制研究进展

昼夜节律生物钟包括输入途径、生物钟本身和输出途径。果蝇作为昼夜节律生物钟研究的前沿模式生物需被进一步了解。本文对果蝇昼夜节律生物钟的钟基因、激酶和磷酸酶的调控、两个相互依赖的转录/翻译反馈环路、生物钟细胞和昼夜节律行为进行了综述。     

水稻生物钟相关基因的表达特征鉴定及其功能预测分析

水稻作为我国重要农作物,其营养生长和生殖发育过程都受到严格的生物钟的控制,因此,生物钟基因的表达变化也是决定水稻产量和种子质量的主要决定因素之一。为了更全面系统的了解生物钟基因在水稻生长和发育过程中的功能,本研究采用生物信息学共表达方法,筛选和鉴定水稻和拟南芥中生物钟基因,并对比分析了这些生物钟基因在单双子叶模式植物中的可能功能。从水稻表达谱公共数据库中筛选与生物钟基因表达密切相关732个基因,并对筛选出的水稻生物钟相关基因进行表达特性、节律性、生物功能预测及其与拟南芥的对比分析,结果表明水稻和拟南芥的生物钟基因可能都具有在生物钟核心振荡器部分功能相对保守的特点。功能预测分析也还表明水稻生物钟基因参与了8类生物学过程,尤其在应激反应和代谢过程的方面具有明显富集性,从而间接佐证了水稻对于外界环境的响应及其代谢过程具有严格时间调控的分子机理。     

哺乳动物营养代谢的时间生物学研究进展

时间生物学主要是研究生物体内生理和行为的时间机制的学科,而这种机制主要是由生物钟调控的。研究表明,营养代谢的各个方面如葡萄糖转运、糖原异生、脂质合成及降解、氧化磷酸化等作用都受到生物钟核心转录机制的调控,并具有时间敏感性;相反,代谢信号也可以反馈调节生物钟系统,包括生物钟基因表达和行为活动。生物钟的紊乱会造成诸如心血管疾病、肥胖、糖尿病等多种疾病。本文从代谢与生物钟的相互关系、各类营养信号和营养素对生物钟的作用以及生物钟与营养代谢相关疾病的关系等多方面综述了哺乳动物营养代谢的时间生物学研究进展。     

视网膜生物钟研究进展

昼夜节律生物钟是以24h为周期的自主维持的振荡器。在高等的多细胞生物中,生物钟可以分为母钟和子钟。研究表明哺乳动物的母钟位于下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN),由此发出信息控制全身的节律活动;子钟位于组织细胞内,调控效应器的节律。在分子水平上,生物钟的振荡由自身调控反馈环路的转录和翻译组成,并接受外界环境因素的影响,通过下丘脑视叉上核(Suprachiasmatic Nucleus,SCN)中枢震荡器的同步整和而产生作用。视网膜是一种十分节律性的组织,许多生化的、细胞的和生理的过程都是以节律的方式来进行的,如视觉灵敏度、视网膜杆细胞外片层脱落和视网膜色素上皮细胞的吞噬作用、光受体中的视觉色素基因的快速表达等。生物钟存在于很多脊椎动物的视网膜中,被认为是一种外周生物钟。本文综述了视网膜生物钟,生物钟信号传输以及生物钟网络等的最新研究进展。     

铜绿假单胞菌的双组分系统

双组分系统是存在于原核和少部分真核生物细胞中的信号转导系统,主要由组氨酸蛋白激酶和反应调节蛋白组成,通过感应外界环境信号、信号输入、磷酸基团传递、信号输出等环节调节基因表达,使细胞能更加适应环境变化。铜绿假单胞菌为条件致病菌,其双组分系统构成多样、功能复杂且参与介导耐药性产生,因此铜绿假单胞菌的双组分系统日益引起人们关注。本文对铜绿假单胞菌双组分系统的组成、信号转导机制、种类、研究方法及其临床意义进行了综述。     

生物钟与衰老的相关研究进展

众所周知,从单细胞生物到人,几乎所有生物体在生理和行为上都表现出昼夜节律。内源性生物钟是产生昼夜节律的物质基础,由母钟和子钟组成,母钟位于下丘脑视交叉上核（SCN）,子钟位于各个外周组织（肝脏、心脏等）。随着机体的逐渐衰老,反应生物钟输出信号的生理昼夜节律在振荡幅度、振荡周期和表达时相等方面发生了相应的变化。另一方面,生物钟控制的生理昼夜节律影响衰老的进程,生物钟功能紊乱会严重加速机体的衰老。本文概述了衰老与生物钟之间的相关研究进展,为进一步认识衰老机制及其对机体的影响提供了线索。