科学家在试管中组装生物钟以研究其工作原理

我们生理学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交替，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中，如蓝藻。

一组科学家现在在试管中重建了蓝藻的生物钟，使他们能够实时研究生物钟蛋白的节律相互作用，并了解这些相互作用如何使生物钟能够控制基因表达。加州大学圣克鲁斯分校、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开展了这项研究，该研究于 10 月 8 日发表在《科学》杂志上。

加州大学圣克鲁斯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复杂的生物过程确实帮助我们了解生物钟蛋白质如何协同工作，并将有助于更深入地了解昼夜节律。”和该研究的通讯作者。

Partch 指出，从蓝藻到人类，生物钟的分子细节非常相似。拥有一个可以在试管(“体外”)而不是活细胞(“体内”)中研究的功能时钟为探索时钟的机制及其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，以确认他们的体外结果与生物钟在活蓝细菌中的运作方式一致。

“这些结果非常令人惊讶，因为体外结果与体内观察结果有些不一致是很常见的。与体外更简单的条件形成鲜明对比的是，活细胞的内部非常复杂，”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。

这项新研究建立在研究人员之前的工作基础上，他们在 2005 年重建了蓝藻昼夜节律振荡器，时钟的基本 24 小时计时循环。振荡器由三个相关的蛋白质组成：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输，以控制昼夜节律中基因的表达。

除了振荡器蛋白之外，新的体外时钟还包括两种激酶蛋白(SasA 和 CikA)，它们的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绑 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会激活和停用对健康和生存很重要的许多基因的表达。”

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