生物的昼夜节律是如何工作的？

一个多学科研究小组最近进行的一项研究揭示了昼夜节律的基本机制，为管理时差、失眠和其他睡眠障碍提供了新的希望。通过利用先进的低温电子显微镜技术，科学家们发现了支配昼夜节律的光传感器的结构，以及它在果蝇（Drosophila melanogaster）中的目标，果蝇是用于昼夜节律研究的主要模式生物。这项研究最近发表在《自然》杂志上。研究的重点是果蝇的隐色体，这是包括人类在内的植物和动物昼夜节律钟的关键组成部分。在苍蝇和其他昆虫中，被蓝光激活的隐色体是设定昼夜节律的主要光传感器。隐色体光传感器的目标，被称为"Timeless"（TIM），是一种大型、复杂的蛋白质，以前无法对其进行成像，因此对其与隐色体的相互作用并不十分了解。

昼夜节律是通过基本上是遗传反馈循环来工作的。研究人员发现，TIM蛋白与它的伙伴Period（PER）蛋白一起作用，抑制负责其自身生产的基因。随着基因表达和抑制事件之间的适当延迟，蛋白质水平的振荡被确立。

高级作者、乔治-W-和格雷斯-L-托德教授以及文理学院化学和化学生物学系主任布莱恩-克雷恩说，这种振荡代表了"时钟的滴答声，似乎对昼夜节律相当独特"。

克莱恩说，蓝光改变了隐色体黄素辅助因子的化学和结构，这使得该蛋白能够与TIM蛋白结合，抑制TIM抑制基因表达的能力，从而重置振荡。

这项研究的大部分艰苦工作是为了弄清楚如何产生隐色体-TIM的复合物，以便对其进行研究，因为TIM是一个如此大的、不方便的蛋白质。为了实现他们的成果，第一作者Changfan Lin, M.S. '17, Ph.D. '21, 修改了隐色体蛋白以提高隐色体-TIM复合物的稳定性，并使用创新技术来纯化样品，使其适合高分辨率成像。加州理工学院弗里德里希共济失调研究联盟博士后Lin说："这些新方法使我们能够获得蛋白质结构的详细图像并获得对其功能的宝贵见解。这项研究不仅加深了我们对昼夜节律调节的理解，还为开发针对相关过程的疗法提供了新的可能性。"

合著者石峰是生物物理学领域的博士生，他做了很多低温电子显微镜的工作。Cristina C. DeOliveira是生物化学和分子及细胞生物学领域的博士生，也是共同作者之一。

该研究的一个意外结果揭示了细胞中DNA损伤是如何修复的。隐色体与参与修复DNA损伤的一个酶家族密切相关，称为光解酶。这项研究"解释了为什么这些蛋白质家族彼此密切相关，尽管它们正在做相当不同的事情--它们在不同的背景下利用相同的分子识别"。

这项研究还为苍蝇的遗传变异提供了解释，这种变异使它们能够适应更高的纬度，那里冬天的白天更短，而且更凉爽。这些苍蝇有更多的某种涉及TIM蛋白变化的遗传变异，而且不清楚为什么这种变异可以帮助它们。研究人员发现，由于隐色体与TIM的结合方式，该变体降低了TIM与隐色体的亲和力。然后，蛋白质之间的相互作用被调控，光重置振荡的能力被改变，从而改变了昼夜节律钟，延长了苍蝇的休眠期，这有助于它在冬季生存。

克莱恩说："我们在这里看到的果蝇中的一些相互作用可以映射到人类蛋白质上。这项研究可能有助于我们理解调节人类睡眠行为的组件之间的关键互动，例如基本计时机制中的关键延迟是如何建立在系统中的。"

Lin说，另一个令人兴奋的发现是在TIM中发现了一个重要的结构区域，称为"槽"，这有助于解释TIM如何进入细胞核。以前的研究已经确定了参与这一过程的一些因素，但确切的机制仍然不清楚。研究提供了对这一现象的更清晰的理解。