生物的晝夜節律是如何工作的？

一個多學科研究小組最近進行的一項研究揭示了晝夜節律的基本機制，為管理時差、失眠和其他睡眠障礙提供了新的希望。通過利用先進的低溫電子顯微鏡技術，科學家們發現了支配晝夜節律的光傳感器的結構，以及它在果蠅（Drosophila melanogaster）中的目標，果蠅是用于晝夜節律研究的主要模式生物。這項研究最近發表在《自然》雜志上。研究的重點是果蠅的隱色體，這是包括人類在內的植物和動物晝夜節律鐘的關鍵組成部分。在蒼蠅和其他昆蟲中，被藍光激活的隱色體是設定晝夜節律的主要光傳感器。隱色體光傳感器的目標，被稱為"Timeless"（TIM），是一種大型、復雜的蛋白質，以前無法對其進行成像，因此對其與隱色體的相互作用并不十分了解。

晝夜節律是通過基本上是遺傳反饋循環來工作的。研究人員發現，TIM蛋白與它的伙伴Period（PER）蛋白一起作用，抑制負責其自身生產的基因。隨著基因表達和抑制事件之間的適當延遲，蛋白質水平的振蕩被確立。

高級作者、喬治-W-和格雷斯-L-托德教授以及文理學院化學和化學生物學系主任布萊恩-克雷恩說，這種振蕩代表了"時鐘的滴答聲，似乎對晝夜節律相當獨特"。

克萊恩說，藍光改變了隱色體黃素輔助因子的化學和結構，這使得該蛋白能夠與TIM蛋白結合，抑制TIM抑制基因表達的能力，從而重置振蕩。

這項研究的大部分艱苦工作是為了弄清楚如何產生隱色體-TIM的復合物，以便對其進行研究，因為TIM是一個如此大的、不方便的蛋白質。為了實現他們的成果，第一作者Changfan Lin, M.S. '17, Ph.D. '21, 修改了隱色體蛋白以提高隱色體-TIM復合物的穩定性，并使用創新技術來純化樣品，使其適合高分辨率成像。加州理工學院弗里德里希共濟失調研究聯盟博士后Lin說："這些新方法使我們能夠獲得蛋白質結構的詳細圖像并獲得對其功能的寶貴見解。這項研究不僅加深了我們對晝夜節律調節的理解，還為開發針對相關過程的療法提供了新的可能性。"

合著者石峰是生物物理學領域的博士生，他做了很多低溫電子顯微鏡的工作。Cristina C. DeOliveira是生物化學和分子及細胞生物學領域的博士生，也是共同作者之一。

該研究的一個意外結果揭示了細胞中DNA損傷是如何修復的。隱色體與參與修復DNA損傷的一個酶家族密切相關，稱為光解酶。這項研究"解釋了為什么這些蛋白質家族彼此密切相關，盡管它們正在做相當不同的事情--它們在不同的背景下利用相同的分子識別"。

這項研究還為蒼蠅的遺傳變異提供了解釋，這種變異使它們能夠適應更高的緯度，那里冬天的白天更短，而且更涼爽。這些蒼蠅有更多的某種涉及TIM蛋白變化的遺傳變異，而且不清楚為什么這種變異可以幫助它們。研究人員發現，由于隱色體與TIM的結合方式，該變體降低了TIM與隱色體的親和力。然后，蛋白質之間的相互作用被調控，光重置振蕩的能力被改變，從而改變了晝夜節律鐘，延長了蒼蠅的休眠期，這有助于它在冬季生存。

克萊恩說："我們在這里看到的果蠅中的一些相互作用可以映射到人類蛋白質上。這項研究可能有助于我們理解調節人類睡眠行為的組件之間的關鍵互動，例如基本計時機制中的關鍵延遲是如何建立在系統中的。"

Lin說，另一個令人興奮的發現是在TIM中發現了一個重要的結構區域，稱為"槽"，這有助于解釋TIM如何進入細胞核。以前的研究已經確定了參與這一過程的一些因素，但確切的機制仍然不清楚。研究提供了對這一現象的更清晰的理解。