Исследование, опубликованное 11 февраля в eLife, показывает, что один и тот же механизм молекулярного переключения, затронутый этими мутациями, работает у животных, от дрозофил до людей.
«У многих людей с нарушениями фазы сна происходят изменения в их часовых белках», – сказала Кэрри Партч, доцент химии и биохимии Калифорнийского университета в Санта-Крус и автор статьи. "Обычно мутации, которые заставляют часы работать короче, имеют эффект утреннего жаворонка, а те, которые заставляют часы работать дольше, имеют ярко выраженный эффект ночной совы."
В новом исследовании исследователи сосредоточили свое внимание на мутациях фермента казеинкиназы 1 (CK1), который регулирует основной тактовый белок, называемый PERIOD (или PER). Мутации, изменяющие часы в CK1, были известны в течение многих лет, но было неясно, как они меняют время часов.
CK1 и другие ферменты киназы проводят реакцию, называемую фосфорилированием, добавляя фосфат к другому белку. Оказалось, что CK1 может фосфорилировать любой из двух сайтов белка PER.
Модификация одного сайта стабилизирует PER, а другая модификация вызывает его деградацию. Партч и ее коллеги показали, как мутации в CK1 или PER могут изменять баланс, отдавая предпочтение деградации над стабилизацией.
Белки PER являются частью сложной петли обратной связи, в которой изменения в их количестве устанавливают синхронизацию циркадных ритмов, поэтому мутации, которые увеличивают скорость деградации PER, сбивают часы.
«Мы обнаружили этот аккуратный молекулярный переключатель, который контролирует количество белков PER. Когда он работает правильно, он генерирует прекрасные 24-часовые колебания », – сказал Партч.
Лаборатория Партча провела структурный и биохимический анализ белков CK1 и PER, которые позволили предположить, как работает переключатель. Чтобы подтвердить, что взаимодействия, наблюдаемые в пробирке, соответствуют поведению белков в живых клетках, они работали с исследователями из Медицинской школы Duke-NUS в Сингапуре.
Другие сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего выполнили моделирование молекулярной динамики переключателя, показав, как белок CK1 переключается между двумя конформациями и как мутации вызывают его предпочтение одной конформации над другой.
Переключатель включает участок белка CK1, называемый петлей активации. Одна конформация этой петли способствует связыванию CK1 с "дегроном" областью PER, где фосфорилирование приводит к деградации белка. Мутации, изменяющие часы, в CK1 заставляют его поддерживать эту конформацию связывания дегрона.
Другая конформация способствует связыванию с участком белка PER, известным как область FASP, поскольку мутации в этой области приводят к наследственному нарушению сна, называемому семейным синдромом продвинутой фазы сна. Стабилизация PER может быть нарушена либо мутациями FASP, которые мешают связыванию CK1 с этой областью, либо мутациями в CK1, которые способствуют альтернативной конформации петли активации.
Новые данные также предполагают, почему связывание CK1 с областью FASP стабилизирует PER.
При фосфорилировании области FASP эта область затем действует, связывая и ингибируя CK1, не позволяя ему принять другую конформацию и фосфорилируя область дегрона.
«Он связывает и блокирует киназу, поэтому это похоже на кнопку паузы, которая предотвращает слишком быстрое разложение белка PERIOD», – сказал Партч. "Эта стабилизирующая область создает задержку в часах, чтобы они соответствовали 24-часовому дню Земли."
Партч отметил, что важно понимать, как эти часовые белки регулируют наши циркадные ритмы, потому что эти ритмы влияют не только на цикл сна, но почти на все аспекты нашей физиологии.
Понимание этих молекулярных механизмов может позволить ученым разработать методы лечения, позволяющие вмешиваться в часы, чтобы облегчить сбои, вызванные ли они наследственными заболеваниями, сменной работой или сменой часовых поясов.
«Могут быть способы смягчить некоторые из этих эффектов», – сказала она.
CK1 интересен еще и тем, что кажется самым древним компонентом биологических часов. Вся петля обратной связи, включающая CK1, PERIOD и другие основные тактовые белки, обнаружена у всех животных, от насекомых до людей. CK1, однако, также обнаруживается в каждом другом организме с эукариотическими (небактериальными) клетками, включая одноклеточные зеленые водоросли, в которых он участвует в циркадных ритмах.
«Наши результаты обеспечивают механистическую основу для понимания универсальной роли CK1 как регулятора циркадных часов эукариот», – сказал Партч.