科学家在试管中组装生物钟以研究其工作原理
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加州大学的一组科学家在试管中重建了蓝藻的生物钟，使他们能够实时研究时钟蛋白的分子相互作用，并了解这些相互作用如何使时钟能够控制基因表达。来源：安迪李旺
重组后的生物钟连续数天保持每日周期，使研究人员能够研究其组成部分的相互作用。
我们生理的几乎每个方面的日常周期都是由我们细胞中的生物钟（也称为生物钟）驱动的。时钟蛋白的周期性相互作用使生命的生物节律与昼夜的日常循环保持一致，这不仅发生在人类和其他复杂的动物身上，甚至发生在简单的单细胞生物体中，例如蓝藻。
一组科学家现在已经在试管中重建了蓝藻的生物钟，使他们能够实时研究时钟蛋白的节律相互作用，并了解这些相互作用如何使时钟能够控制基因表达。加州大学圣克鲁兹分校、加州大学默塞德分校和加州大学圣地亚哥分校三个实验室的研究人员合作完成了这项研究，该研究于 2021 年 10 月 8 日发表在《科学》杂志上。
加州大学圣克鲁兹分校化学和生物化学教授 Carrie Partch 说：“从头开始重建像生物钟这样的复杂生物过程确实帮助我们了解了生物钟蛋白如何协同工作，并将更深入地了解昼夜节律。”和该研究的通讯作者。
帕奇指出，从蓝细菌到人类，生物钟的分子细节非常相似。拥有一个可以在试管中（“体外”）而不是在活细胞（“体内”）中研究的功能时钟，为探索时钟的机制以及它如何响应变化提供了一个强大的平台。该团队在活细胞中进行了实验，以确认它们的体外结果与生物钟在活蓝藻中的运行方式一致。
“这些结果非常令人惊讶，因为体外的结果与体内观察到的结果有些不一致是很常见的。活细胞的内部非常复杂，与体外更简单的条件形成鲜明对比，”加州大学默塞德分校化学和生物化学教授、该论文的通讯作者 Andy LiWang 说。
这项新研究建立在日本研究人员之前的工作之上，他们在 2005 年重建了蓝藻昼夜节律振荡器，这是时钟的基本 24 小时计时循环。振荡器由三种相关蛋白组成：KaiA、KaiB 和 KaiC。在活细胞中，来自振荡器的信号通过其他蛋白质传递，以控制基因在昼夜周期中的表达。
除振荡器蛋白外，新的体外时钟还包括两种激酶蛋白（SasA 和 CikA），其活性通过与振荡器相互作用而改变，以及DNA结合蛋白 (RpaA) 及其 DNA 靶标。
“SasA 和 CikA 分别激活和停用 RpaA，使其有节奏地结合和解开 DNA，”LiWang 解释说。“在蓝藻中，这种在其基因组中 100 多个不同位点的有节奏的结合和解除结合激活和停用了许多对健康和生存很重要的基因的表达。”
使用荧光标记技术，研究人员能够跟踪所有这些时钟组件之间的相互作用，因为整个系统以昼夜节律振荡数天甚至数周。该系统使团队能够确定 SasA 和 CikA 如何增强振荡器的稳健性，使其在 KaiABC 蛋白自身停止振荡的条件下保持滴答作响。
研究人员还使用体外系统探索了蓝细菌心律失常菌株时钟中断的遗传起源。他们在 RpaA 基因中发现了一个单一突变，该突变降低了蛋白质的 DNA 结合效率。
“转录因子中的单个氨基酸变化会使细胞失去基因表达的节奏，即使它的时钟是完整的，”合著者、加州大学圣地亚哥分校昼夜生物学中心主任 Susan Golden 说，其中 Partch 和 LiWang也是会员。
“这个项目的真正美妙之处在于，来自加州大学三个校区的团队如何聚集在一起，汇集各种方法来回答细胞如何分辨时间，”她补充道。“这种积极的合作远远超出了主要研究人员的范围，接受过不同学科培训的学生和博士后相互交流，分享遗传学、结构生物学和生物物理数据，相互解释他们的发现的重要性。跨学科交流对于项目的成功与研究人员令人印象深刻的技能同样重要。”
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参考：“完整时钟的重构揭示了昼夜节律计时机制”，2021 年 10 月 7 日，《科学》 。DOI: 10.1126/science.abd4453
该论文的作者包括加州大学默塞德分校的第一作者 Archana Chavan 和 Joel Heisler 以及加州大学圣克鲁兹分校的 Jeffrey Swan，以及加州大学圣地亚哥分校的合著者 Cigdem Sancar、Dustin Ernst 和 Mingxu Fang，以及 Joseph Palacios、Rebecca Spangler、Clive加州大学圣克鲁兹分校的 Bagshaw、Sarvind Tripathi 和 Priya Crosby。这项工作得到了美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的支持。