生物钟机制研究进展

由生物体内源性生物钟所产生的昼夜节律是近年来生命科学的研究热点之一。几种模型生物（蓝细菌、脉孢菌、拟南芥、果蝇、小鼠）的生物钟相关基因相继被克隆和鉴定,为理解昼夜节律的分子机制奠定了基础。振荡器蛋白对其编码基因的负反馈调控可能是不同生物的生物运作普遍机制,在此基础上,不同生物有不尽相同的调控方式;隐色素可能是高等生物的共同生物钟光受体。     

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。     

生物钟基因系统功能异常与心血管疾病和消化疾病的关联性机制研究

生物体内源性生物钟产生的昼夜节律是以近24 h的节律性振荡对外界环境变化进行的综合性调节反应,其产生的分子基础是生物钟基因及其编码的蛋白质组成的转录-翻译反馈环路,其中生物钟基因可作用于下游钟控基因而调节机体各项生理功能。昼夜节律紊乱、生物钟基因表达改变,与许多疾病包括心血管疾病和消化疾病的发生发展相关,甚至是癌症发生的重要促进因素。对昼夜节律的研究为疾病的预防和治疗提供了新思路。     

生物钟基因period的分子生物学

生物过程的昼夜节律是所有真核生物和部分原核生物的基本特征。自从ｐｅｒｉｏｄ基因被克隆以后,生物钟基因的研究已经取得长足的促进。本文回顾了ｐｅｒ基因及生物钟分子机制的研究历史,旨在为人类复杂行为的研究提供一条思路。     

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。     

生物钟基因与哺乳动物生殖

近日节律是生物节律中最重要的一种。它是一种以近似24 h为周期的自主振荡器,普遍存在于生物界中。近日节律主要受生物钟基因的调控,在哺乳动物中已发现时钟基因(Clock)、周期基因(Period,Per)家族、隐花色素基因(Cryptochrome1,Cry)家族、Bmal1(Brain and muscle ARNT-like 1)在内的多种重要的生物钟基因。这些基因及其蛋白质产物构成的反馈调节环是生物钟运行的分子基础。研究表明,生物钟基因不仅仅在近日节律的中枢系统中存在表达,在外周组织中也存在表达。而且生物钟基因与哺乳动物生殖密切相关,提示可能在生殖领域中具有重要的调控作用。主要从几个关键生物钟基因的发现、在近日节律和非近日节律中的调节作用、以及与哺乳动物生殖的关系做一综述。     

Timeless与生物钟基因

综述了timeless基因的发现、多态性和重要功能。timeless是最先被发现的两个生物钟基因之一。生物钟的昼夜节律由PER、TIM、CLOCK和CYCLE4个生物钟齿轮组成的正负反馈回路进行调节。其中TIM可以受光因子调控,它还可以与PER形成异二聚体,通过正负调控方式调节果蝇的昼夜节律行为。     

生物钟基因研究进展

昼夜节律是以大约24 h为周期波动的生物现象.这些节律包括血压、体温、激素水平、血中免疫细胞的数量、睡眠觉醒周期循环等.基因水平上的昼夜节律研究还只是刚起步,介绍不同物种控制昼夜行为的共同基因(如period 、timless 、clock基因等)的研究进展,特别是一些有关调控昼夜节律基因的转录因子的研究.同时讨论果蝇和人类生物钟调节的共同分子机制.     

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。     

光周期和温度对生物钟基因cwo在棉铃虫幼虫节律表达的影响

【目的】生物钟普遍存在于生物体的生长发育、行为及生理等各个方面。本研究旨在探究光周期和温度对生物钟基因cwo在棉铃虫Helicoverpa armigera幼虫昼夜节律表达的影响。【方法】通过转录组测序获得了生物钟基因cwo的c DNA开放阅读框全长,利用实时荧光定量PCR技术分析了生物钟基因cwo在棉铃虫幼虫中的时空表达,以及其在不同光周期和不同温度条件下的昼夜表达节律。【结果】序列分析结果显示,棉铃虫生物钟基因cwo的c DNA序列开放阅读框为1 335 bp,编码444个氨基酸残基,预测蛋白的分子质量为49.95 ku。时空表达分析表明,cwo基因在棉铃虫幼虫组织中以脑和腹神经索表达量较高,在卵孵化期、蜕皮期、蛹变态期及羽化前1 d高峰度表达。头部昼夜节律表达分析表明,正常光周期条件下生物钟基因cwo呈昼夜节律表达,在暗期高表达;短时间持续暗期/光期处理使cwo表达的时间相位提前,长时间持续暗期/光期处理使cwo表达的节律性显著降低;38℃处理使cwo表达短期内显著上调,并改变了其节律性,18℃处理使cwo表达在暗期显著下调,但是节律性不变。【结论】生物钟基因cwo在棉铃虫幼虫头部的昼夜节律表达受到光周期和温度的影响。     

生物钟基因研究新进展

生物钟基因普遍存在于生物界,其作用在于产生和控制昼夜节律的运转。生物钟基因及其编码的蛋白质组成反馈回路,维持振荡系统持续进行并与环境周期保持同步。各级进化水平物种生物钟的基因组成和控制途径有同有异。此文主要介绍蓝细菌、脉孢菌、果蝇、鼠和人昼夜钟的分子运作机制以及研究钟基因的意义和展望。 Abstract:The circadian clock genes,which generate and control the running of the circadian rhythms,exist in organisms ranging from prokaryotes to mammals.The oscillator genes and its coding proteins compose the feedback loops of circadian system.The kind,number and regulating route of clock genes are characterized by living things at different evolution levels.The molecular mechanism of the run of circadian clock genes in cyanobacteria,neurospore,fruit fly,mouse and human being is introduced in this article.     

Identification of valid reference genes for circadian gene-expression studies in human mammary epithelial cells

ABSTRACT

The circadian clock controls most of the physiological processes in the body throughout days and nights’ alternation. Its dysregulation has a negative impact on many aspects of human health, such as obesity, lipid disorders, diabetes, skin regeneration, hematopoiesis and cancer. To date, poor is known on the molecular mechanisms that links mammary gland homeostasis to the circadian clock but recent reports highlight the importance of loss of circadian genes for mammary gland development and during tumour progression in breast cancer. Gene expression studies are then required to clarify how the circadian clock can modulates the human mammary gland development during ontology and its behaviour in physiological and oncogenic context. For this, in addition to genome-wide studies, real-time quantitative RT-PCR (qPCR) is a powerful and pertinent technique to quantify the expression of a reduced set of genes of interest in many different samples. Relative quantification of qPCR data requires the use of reference genes for normalisation. For circadian studies, reference genes expression must not oscillate in mirror of the circadian clock and must not be affected by the synchronisation protocols required in vitro to reset the circadian clock. Inappropriate selection of reference genes can consequently affect the amplitude of gene expression oscillation and bias data interpretation. Currently, no standard reference genes have been validated regarding these criteria for human mammary epithelial cells and the purpose of this study was to fill this gap. For this, we used the RefFinder tool, which combines four different algorithms, on 9 candidate reference genes. We compared reference genes stability using three different synchronisation protocols applied on four different mammary epithelial cell lines. This allowed us to define a set of reference genes in human mammary epithelial cells whose expression remains stable despite synchronisation protocols. We observed that the synchronisation of cells by serum shock was the most suitable procedure for maintaining the amplitude of oscillation of clock genes over time and we identified RPL4, RPLP0, HSPCB and TBP as an optimal combination of reference genes for the normalisation of the oscillatory expression of clock genes in human mammary epithelial cells.     

干旱对水稻生物钟基因和干旱胁迫响应基因每日节律性变化的影响

内源生物钟的节律运动不仅调控植物的生长发育,而且在调控植物响应和适应环境过程中发挥重要的作用。为了解水稻(Oryza sativa L.)干旱胁迫响应基因和生物钟基因在干旱条件下每日表达变化情况,本文利用实时荧光定量PCR方法研究旱稻品种IRAT109在干旱胁迫下相关基因的表达变化。结果表明,干旱胁迫导致早晨生物钟基因OsPRRs、OsLHY和OsZTL1的表达量显著下降,振幅减弱;同时导致夜晚生物钟基因OsTOC1、OsGI和OsELF3整体表达量升高,振幅增强,但对OsFKF1基因影响不大。同样,大部分水稻干旱胁迫响应基因在干旱胁迫后整体表达量显著升高,但OsDST基因表达量下降;同时大部分抗逆基因周期性表达被扰乱,但OsCIPK12、OsCDPK7和OsDREB1A依然保持24 h内震荡。本研究结果表明干旱胁迫能影响生物钟元件的基因表达,这种互相影响改变了部分基因每日的震荡变化。     

Interactions of polymorphisms in different clock genes associated with circadian phenotypes in humans

Several studies have shown that mutations and polymorphisms in clock genes are associated with abnormal circadian parameters in humans and also with more subtle non-pathological phenotypes like chronotypes. However, there have been conflicting results, and none of these studies analyzed the combined effects of more than one clock gene. Up to date, association studies in humans have focused on the analysis of only one clock gene per study. Since these genes encode proteins that physically interact with each other, combinations of polymorphisms in different clock genes could have a synergistic or an inhibitory effect upon circadian phenotypes. In the present study, we analyzed the combined effects of four polymorphisms in four clock genes (Per2, Per3, Clock and Bmal1) in people with extreme diurnal preferences (morning or evening). We found that a specific combination of polymorphisms in these genes is more frequent in people who have a morning preference for activity and there is a different combination in individuals with an evening preference for activity. Taken together, these results show that it is possible to detect clock gene interactions associated with human circadian phenotypes and bring an innovative idea of building a clock gene variation map that may be applied to human circadian biology.     

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.