生物鐘基因簡(jiǎn)要概述

晝夜節律是自然界最普遍的一種自然現象, 它的存在使生物體的生理、生化、行為等生命現象表現為以24 h 為周期的振蕩。晝夜節律發(fā)生的物質(zhì)基礎是分子計時(shí)器, 即晝夜節律生物鐘(circadian clock) 。它由一組特異的核心元件組成,

包括Clock、Bmal1、Pers 、Crys、Tim 等基因及其相關(guān)蛋白產(chǎn)物[1]。生物節律的基本分子機制, 是這些核心元件構成的轉錄- 翻譯負反饋環(huán)。這個(gè)機制本質(zhì)上是內源性的, 但同時(shí)會(huì )受環(huán)境信號, 尤其是光信號的導引。哺乳動(dòng)物的主生物鐘被定位在下丘腦視交叉上核( suprachiasmatic nuclei, SCN) ,當它受到異常刺激后, 機體的晝夜節律可發(fā)生改變, 嚴重時(shí)會(huì )導致疾病。但到目前為止, 維持生物鐘運行的確切分子調控過(guò)程還不清楚。

人類(lèi)下丘腦視交叉上部具有特化的神經(jīng)核團，即SCN，是生命活動(dòng)的時(shí)序控制器，它們通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)內分泌和體液途徑影響周?chē)鞴俸徒M織，控制和調節著(zhù)睡眠和覺(jué)醒、代謝、內分泌、細胞增殖分裂和凋亡, 以及免疫等各個(gè)層面, 使生命活動(dòng)在時(shí)序上協(xié)調有序。[2]而操控這些生命活動(dòng)有序性進(jìn)行的正是Clock基因、Bmal1基因、Crys基因等一系列生物鐘基因。其中Clock基因是惟一的, 也是最早用正向遺傳法鑒定出的。它是動(dòng)物近日節律(circadianrhythm) 的必要調控者,

在節律時(shí)鐘的組織中起著(zhù)中心作用。[3]

Clock基因的結構

1994年美國西北大學(xué)Takahashi教授領(lǐng)導的研究小組發(fā)現, 單個(gè)的堿基突變可導致小鼠的生物鐘節律喪失, 他們將這個(gè)半顯性突變定位于第5號染體的Clock基因上[4]

1997年5月Cell雜志報道了美國西北大學(xué)的Takahashi研究小組成功克隆了小鼠的生物鐘基因。1999年4月Genonics雜志報道了美國西北大學(xué)的Takahashi研究小組對人類(lèi)Clock基因(hCk)的克隆結果。至此人們對人類(lèi)生物鐘基因中Clock基因的真實(shí)結構以及其所編碼的Clock蛋白有了深入的認識。Takahashi教授領(lǐng)導的研究小組通過(guò)搜索EST 數據庫, 下丘腦cDNA文庫篩選, 得到了人類(lèi)cDNA編碼的CLOCK蛋白。人CLOCK蛋白編碼序列為2538 bp,其中89% 與鼠類(lèi)似;846個(gè)氨基酸殘基, 其中96%與鼠的CLOCK蛋白一致。放射雜交圖譜分析發(fā)現,

hClk 位于4 號染體長(cháng)臂(4q12), 含20個(gè)外顯子, 其內含子/外顯子的組成也與小鼠一樣。hClk也有bHLH 結構域(氨基酸50~ 81) 和PAS結構域(氨基酸115~

318), 及臨近螺旋) 環(huán)) 螺旋的調節DNA域(氨基酸35~ 50), C端還有一個(gè)富含谷氨酰胺的結構域(氨基酸500 ~ 846)。Northern b lot分析揭示大部分組織中Clock的一個(gè)占主導地位的1010 kb 轉錄產(chǎn)物和一個(gè)主要的810 kb轉錄產(chǎn)物, 在睪丸、骨骼肌較多, 而在肺、肝和胸腺中最少。一個(gè)較少的410 kb 轉錄產(chǎn)物僅在睪丸中檢測到。[5]

Clock基因的表達與調控

Clock基因在其編碼的氨基酸序列中存在著(zhù)多個(gè)保守區域, 包括bHLH、PAS-

A、PAS- B和C末端的富Q 區。像其他的bHLH 轉錄因子一樣,bHLH - PAS區的轉錄因子成員先結合DNA并轉錄調節接下來(lái)的聚合, 研究結果表明這個(gè)轉錄因子家族在核信號形成和轉錄上起著(zhù)重要作用[6、7]。這些基因一旦被引導, 就會(huì )通過(guò)自我調節在適當的組織維持表達水平, 至少2個(gè)其它的bHLHPAS蛋白ar2yl羥受體(AHR)和垂體誘導因子A(HIFA)是這樣的(Nambu等,1991)。

在哺乳動(dòng)物中, Clock 基因的轉錄與轉錄激活因子DBP (白蛋白啟動(dòng)子結合蛋白D成分) 和肝臟中的脂肪基因7 - a羥基化酶相關(guān)。分離受生物clock基因控制的下游靶基因, 分析其結構, 有助于理解生物節律起搏器對輸出途徑的影響。

當節律信息自起搏器傳遞至效應細胞后, 在激素等因素參與下, 細胞膜中轉運蛋白構型、顆粒大小和排列方式改變, 影響細胞膜對離子的通透性和離子濃度,引起膜兩側電位改變, 誘發(fā)一定頻率的膜系統振蕩, 循環(huán)往復, 形成晝夜節律的周期性表現[8]。

光照對Clock基因表達的影響

研究證明，Clock 基因在中樞SCN 的晝夜表達, 在光照-黑暗交替(LD,12 h光照-12h黑暗) 條件下峰值位相比全黑暗(DD,24h黑暗)條件下提前了10h;而在外周淋巴細胞中,峰值位相卻滯后了9h。另一方面,在LD 條件下Clock 基因在SCN

和外周淋巴細胞中的峰值表達幾乎呈反相關(guān)系, 即SCN 中的峰值位相比淋巴細胞提前約12 h;而在DD 條件下,其位相關(guān)系又表現為滯后8h。這些結果提示,光照能影響Clock基因晝夜節律的表達形式,但不能改變晝夜節律本身的性質(zhì)。至于光照影響節律位相的原因及其意義,則是今后進(jìn)一步研究的目標。[9]

大鼠松果體鐘基因Clock的內源性晝夜表達

曾認為Clock基因mRNA 的豐度在鐘結構中以持續而恒定的水平表達，持續黑暗24 h內不具有晝夜節律性振蕩。[10] 有研究采取DD光制，在沒(méi)有環(huán)境光信號導引的條件下，發(fā)現松果體Clock基因的表達仍具有顯著(zhù)的內源性自由運轉節律。[11]

在LD光制下，松果體Clock基因表達呈現晝低夜高節律性振蕩，其峰值及谷值分別出現于CT18(黑暗期)和CT6(光照期) [12]

此外，與LD光制相比，DD光制下松果體Clock基因表達的內源性節律在時(shí)相上略有提前。表明光信號的誘導可延遲松果體Clock基因表達的節律相位。由松果體分泌、釋放的褪黑素，在血液中的濃度呈現晝低夜高，其合成與分泌受到關(guān)鍵酶NAT基因的控制，并受SCN 傳入神經(jīng)的調節_7 J。而褪黑素以組織細胞間化學(xué)信使的形式，對SCN和外周生理節律進(jìn)行晝夜動(dòng)態(tài)調節。[13]因此，SCN和松果體之間相互聯(lián)系，共同形成核心生物鐘，發(fā)揮晝夜節律整體振蕩作用

Clock基因失調疾病及研究展望

晝夜節律是生物體最普遍的一種節律, Clock基因的失調必然導致疾病。但是人類(lèi)對Clock基因的完全認識還有很長(cháng)一段路程。就此，我們提出了一系列問(wèn)題：目前,對Clock基因的研究資料大多來(lái)自動(dòng)物, 那么作為哺乳動(dòng)物的人的機制是否與動(dòng)物完全一樣Clock基因是如何從整體上調節各組織器官的?還有哪些基因參與晝夜節律的調節? 調節的生物化學(xué)基礎是什么? 如果有一天人類(lèi)真的闡明了晝夜節律的輸入、振蕩器、輸出途經(jīng)中的各個(gè)環(huán)節的機理, 那么象時(shí)差反應、輪班制工作、以及睡眠失調等疾病的將迎刃而解。同時(shí)也將大大推動(dòng)時(shí)間診斷學(xué)、時(shí)間藥理學(xué)、時(shí)間毒理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。

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