Cyanobakterier "klokker" blev indbygget i bakterien uden cirkadiske rytmer • Yuliya Kondratenko • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik, Mikrobiologi, Circadianrytmer, Bioteknologi

I bakterien uden cirkadiske rytmer indlejret “ur” fra cyanobakterier

Fig. 1. Operationskema for bakterieoscillatoren Synechococcus elongatus. KaiC-protein kan phosphorylere eller dephosphorylere sig selv. KaiA-proteinet hjælper ham i løbet af dagen. Om natten undertrykkes KaiA's arbejde af KaiB. Dette sker under naturlige forhold, men cyklussen kan reproduceres både in vitro og i fuldstændig mørke. Figur fra den diskuterede artikel iScience Advance

Forskere har leveret en bakterie, der manglede naturlige cirkadiske rytmer med molekylære cirkadiske ure. Eventuelle gener kan forbindes til et sådant ur, og deres arbejde vil blive afhængigt af tidspunktet på dagen. Ved hjælp af implantationen af ​​de daglige timer vil det være muligt at behandle sygdomme forbundet med cirkadisk rytmeforstyrrelse eller at arrangere målrettet levering af stoffer til de ramte væv strikt efter planen.

Som regel er det molekylære cirkadiske ur (Circadian ur) af levende celler et system af gener forbundet med tilbagekoblingssløjfer. I det enkleste tilfælde genaktiverer gen A gen B-arbejdet, og det undertrykker igen genets arbejde. På grund af dette stopper A stimulerende aktivitet B, og han stopper, og A begynder at arbejde igen. Hvis produktionen af ​​et af generne afhænger af belysningsniveauet, så styres sådanne interne klokker, kan cellerne bestemme hvilken tid på dagen det er og kontrollere forskellige processer i overensstemmelse hermed.For eksempel forekommer forskellige fotosyntesereaktioner i planter dag og nat, og hos dyr om natten er økonomien, hvile og rensning af hjernen fra toksiner – søvntilstanden – tændt.

Men andre modeller af biologiske ure er også blevet opdaget – dem der arbejder uden genekspression. Disse ure omfatter den naturlige oscillator af cyanobakterier Synechococcus elongatus, hvilket spørger, hvornår den slags fotosyntesereaktion, de skal udføre.

I cyanobakterier virker det indre ur sådan som dette (figur 1). Der er et stort protein, KaiC, som er i stand til at hænge fosfat på sig selv og fjerne fosfater fra sig selv. I den phosphorylerede tilstand binder den godt til et andet protein, SasA, som fungerer som formidler for lanceringen af ​​"dagtimet" processer. To andre proteiner, KaiA og KaiB, direkte fosforylering og dephosphorylering af KaiC. Den første stimulerer KaiC-phosphorylering, og den anden fjerner fosfat. I cyanobakterier virker KaiA hovedsageligt i lyset, mens KaiB virker primært i mørket. Det viser sig, at KaiC i løbet af dagen fosforyleres, og om natten er det berøvet fosfater. (For mere information om arbejdet i det indre ur af cyanobakterier, se artiklen: M. Ishiura et al., 1998. Udtryk af en genklynge kaiABC som en cirkadisk feedbackproces i cyanobakterier.)

Interessant nok har hjælpeproteinerne KaiA og KaiB ikke cofaktorer, der vil hjælpe dem med at mærke lyset, så mekanismen til at skifte mellem disse to aktivatorer forbliver mystisk i et stykke tid.Det er endnu mere interessant, at systemet også kunne fungere i en form isoleret fra resten af ​​cellen, i et reagensglas, hvor ingen fotosensorer fra cyanobacterium kunne fortælle hende noget om lysforholdene. Det viste sig, at frekvensen af ​​systemet styres af forholdet mellem ATP og ADP. At hænge på fosfat tager KaiC det fra ATP og bruger disse molekyler. Når ATP bliver for lille, starter omvendt proces – KaiC fjerner fosfater og returnerer dem til ADP. Tilsyneladende er proteinregulatorerne netop orienteret om, hvor meget ATP eller ADP er i opløsning.

For at gøre det cirkadiske ur som i cyanobakterier, har vi brug for tre proteiner samt en energikilde – ATP-molekyler. Hvis disse komponenter blandes i et reagensglas, ændres phosphoryleringen af ​​et af proteinerne cyklisk, og oscillationsperioden vil være tæt på dage. Dette system ligner den biologiske variant af Belousov-Zhabotinsky-reaktionen, hvor der også sker cykliske transformationer af stoffer. Selvfølgelig er et sådant system ikke fuldstændigt uafhængigt af generets arbejde: for det første skal nye kopier af proteiner syntetiseres med jævne mellemrum.Men i det mindste relativ uafhængighed fra genernes arbejde er det nyttigt, for eksempel, således at livscyklussen af ​​en celle ikke går tabt under division. Når en celle er opdelt, skal dens DNA replikere, og denne proces kan midlertidigt forstyrre det "genetiske" ur. Imidlertid vil ingen ændringer i tilstanden af ​​DNA påvirke fluktuationerne i proteinphosphorylering.

Cyanobakterierne er så enkle og uhøjtidelige og i stand til at arbejde i mindst flere dage, selv i mangel af genarbejde, som bioteknologerne fra Harvard Medical School (Boston, USA) havde ideen om at introducere den i en anden organisme. Den mest populære laboratoriebakterie blev taget som et objekt – Escherichia colisom ikke har sine egne daglige rytmer. Forskerne introducerede gener i tre proteiner – oscillatorens komponenter – i denne bakterie og sørgede for, at niveauet af KaiC-phosphorylering fortsætter med at fluktuere med en daglig periode i denne ikke-native organism.

Det var selvfølgelig interessant ikke kun at køre uret i en anden organisme, men at lære dem at styre generets arbejde. Bioengineers kunne opnå cykliske fluktuationer af proteiner kontrolleret af "uret" implanteret i bakterien, selv på to måder.

For det første kan bindingen af ​​phosphoryleret KaiC til SasA-protein anvendes (figur 2). En af dem indeholder underenheden af ​​bakteriel RNA-polymerase, og den anden – et protein der genkender en specifik DNA-sekvens. Genet, for hvilket der er en sådan sekvens, vil kun virke om dagen. Således kan du i timevis justere arbejdet med potentielt eventuelle gener – hvis vi kender proteiner, der kan tiltrække polymerase til dem.

Fig. 2. En måde at forbinde genet til arbejdstimer. Niveauet af KaiC phosphorylering svinger med daglig frekvens. Når dette protein er phosphoryleret, binder det godt til SasA-protein (på sidepanelet tykkelsen af ​​pilene svarer til bindingsstyrken). Denne binding kan anvendes til at tiltrække RNA-polymerase til et specifikt gen og gøre dette gen til at virke (i figuren betegnes genet for det grønne fluorescerende protein, GFP, som målgenet). For at gøre dette skal du sy en af ​​underenhederne af RNA-polymerase til KaiC og et protein der binder DNA foran målgenet til SasA. Figur fra den diskuterede artikel i Science Advance

En anden måde er at anvende genetiske konstruktioner med cyanobakterier promotorer, der reguleres af denne molekylære ur in vivo.Til dette er det nødvendigt at kopiere ikke kun oscillatoren fra bakterien, men også de nedstrømselementer den styrer, herunder de proteiner der binder til specifikke DNA-sekvenser og aktiverer arbejdet i nærliggende gener. For at gøre dette er det nødvendigt at lave genetiske konstruktioner, hvor et gen, hvis aktivitet vil være let at observere, ligger bag et sådant specifikt DNA-sted, der er ansvarlig for driften af ​​cyanobakterier ure. For eksempel et fluorescerende protein gen, der kan ses med øjnene.

Dette arbejde fra amerikanske forskere er meget interessant for fremtidige praktiske anvendelser. Det er bemærkelsesværdigt ikke kun, at uret af cyanobakterier er enkelt og relativt uafhængigt af generets arbejde, men også at deres periode kun er daglig. Så i fremtiden kan et sådant system være nyttigt at stabilisere livsorganismernes cirkadiske rytmer. På grund af forstyrrelsen af ​​cirkadiske rytmer lider ikke kun rejsende efter lange flyvninger. Det viser sig, at cirkadiske rytmer er bortfaldet, for eksempel i tarmmikrobiotaen, hvis dens vært fejler uregelmæssigt. Og lidelserne i vores intestinale bakterier kan også smitte ud i vores egne lidelser, fordi mikrobiomet har en kompleks virkning på metabolisme.

Genetisk modificerede bakterier udstyret med et ur vil være i stand til at opretholde de korrekte daglige rytmer, uanset hvilken livsform værten fører. Andre mulige anvendelser er lægemiddellevering på visse tidspunkter af dagen samt behandling af sygdomme forbundet med circadianrytmeforstyrrelser. Generelt, hver levende organisme – for gode timer!

Kilde: A. H. Chen, D. Lubkowicz, V. Yeong, R. L. Chang & P. ​​A. Silver. Transplanterbarhed af det cirkadiske ur til en noncircadian organisme // Science Advance. 2015. DOI: 10.1126 / sciadv.1500358.

Yulia Kondratenko


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: