Ключевой фактор объединяет день и ночь, чтобы сдерживать утро

Как и в искусственных часах, механизмы генетических часов, лежащих в основе циркадных циклов, отличаются значительной сложностью. Исследователи из Лаборатории системной биологии RIKEN сообщают, что запаздывающая отрицательная обратная связь является ключевым фактором в работе млекопитающих.

Циркадные часы млекопитающих, как считается, возникают из взаимодействий около 20 транскрипционных факторов с последовательностями ДНК, связанными с утренней, дневной и ночной экспрессией. Существующие модели этой генетической сети легко объясняют основу дневной и ночной активности, но механизм, лежащий в основе утренней экспрессии, остаётся не до конца понятным. Предполагается, что важную роль в соблюдении времени играет запаздывающая отрицательная обратная связь со стороны утреннего (E/E'-бокс) ингибитора Cryptochrome 1 (Cry1), который сам экспрессируется вечером. Но как именно он достигает этого эффекта, было неизвестно.

Маки Укай-Таденума и Рикухиро Г. Ямада из Лаборатории системной биологии (проект-лидер Хироки Р. Уэда) вместе с коллегами из Университетов Мемфиса (США) и Фрибура (Швейцария) теперь сообщают, как запаздывающая отрицательная обратная связь является ключевым фактором. Работа, опубликованная в Cell, показывает роль Cry1 как медиатора запаздывающей отрицательной обратной связи и дополняет текущее понимание циркадных цепей.

Команда начала с изучения основы вечерней экспрессии Cry1, используя репортёрные гены, кодирующие белок люциферазу. Они обнаружили, что промоторная область Cry1 индуцирует экспрессию генов, несущих мотив дневной экспрессии. Более пристальный взгляд на ДНК Cry1 показал, что его интронная область содержит отдельную последовательность, которая индуцирует ночные гены часов. Затем они сшили конструкт, включающий эти промоторную и интронную области, и провели ещё один репортёрный анализ. Его экспрессия включалась в циркадный вечер, что позволяет предположить, что это промежуточное время экспрессии является результатом комбинации дневных и ночных регуляторных элементов.

Для проверки модели команда попыталась восстановить функцию часов в клетках с гомозиготными делециями обоих Cry1 и Cry2, индуцируя вечернюю экспрессию экзогенного Cry1. Они обнаружили, что в то время как одна промоторная область Cry1 была неэффективна, при совместном использовании промоторной и интронной областей циркадный ритм гена восстанавливался.

Используя эту же установку, исследователи попытались изменить время начала экспрессии Cry1. Они обнаружили, что по мере приближения экспрессии к полудню (то есть уменьшения нормальной фазовой задержки) амплитуда циркадных колебаний уменьшалась, что соответствовало прогнозам. Аналогично, увеличение задержки экспрессии экзогенного Cry1 вызывало увеличение длины восстановленного цикла.

Результаты команды были воспроизведены относительно простой фазовой векторной моделью, которая не только успешно воспроизводит выводы текущего исследования, но и многие другие аспекты сети циркадных часов.

«В 1990 году Пол Хардин из Техасского университета A&M указал на важность запаздывающей отрицательной обратной связи в биологических часах, но потребовалось 21 год, чтобы выяснить механизм, стоящий за этим», — говорит Уэда. «Мы продолжим исследовать, является ли текущая минимальная модель транскрипционной сети полной или же новые регуляторные системы ещё предстоит открыть».