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科学家发现基因可能普遍存在“生理周期”

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核心提示:美国科学家发现,身体各个器官的数千个基因,每天的起伏变化也都是可预测的,它们的活动周期则受多种复杂方式的控制。

科技日报9月11日报道 人体活动有着24小时的节律周期。以前认为,只有少数基因和蛋白质是周期性地打开、关闭,但据物理学家组织网近日报道,美国科学家发现,身体各个器官的数千个基因,每天的起伏变化也都是可预测的,它们的活动周期则受多种复杂方式的控制。相关论文已发表在《科学》杂志网站上。

了解基因在一天中如何周期性地开关,是掌握许多生理功能的关键,包括睡眠和新陈代谢。霍华德·休斯医学院研究人员、得克萨斯大学西北医学中心的约瑟夫·塔卡哈斯在上世纪90年代发现了节律基因及其蛋白质产物,他和其他研究人员确定了该基因为CLOCK,并发现其他两种蛋白BMAL1和NPAS2,能在白天与基因结合激活它们,另外4个节律调控因子是PER1、PER2、CRY1和CRY2,能在夜晚抑制基因。

新研究旨在全面理解激活因子和抑制因子是怎样协调配合,共同维持身体24小时生理节奏的。

新研究的核心发现是,RNA聚合酶(有了这种酶基因才能转录合成蛋白质)的功能随着生理节律而变化。塔卡哈斯说:“RNA聚合酶Ⅱ的发动是整个基因组周期节律的开始。随着整体RNA聚合酶Ⅱ和转录的调控,全体染色质的状态都受节律生物钟的调控。组蛋白也随着整个基因组的节律被广泛修改,而组蛋白是维持DNA完整性的关键。这表明每个基因都可能按照生理节律的周期被修改。”

此外,他们还做出了许多重要发现。首先是节律调控因子能在许多基因组位点和标靶基因结合。他们研究了小鼠肝脏细胞的基因组,发现超过2万个位点能与1个或多个调控因子结合;其中超过1千个位点能与所有7种调控因子结合,还有许多位点只能与激活或抑制因子二者之一结合。塔卡哈斯说:“我们以前还以为,它们都只与同一位点结合。”

其次,他们研究了肝细胞所有基因每天的表达方式,发现在转录过程中,基因表达并非都控制在转录层次。他们还发现,在一天中RNA聚合酶Ⅱ与基因的结合比基因转录更早发生。周期开始时,转录激活因子CLOCK和BMAL1招来了RNA聚合酶Ⅱ,但被随后出现的抑制因子CRY1给抑制了。结果RNA聚合酶不得不“暂停”几个小时,暂停解除后才开始转录。所以,生理节奏不仅与RNA聚合酶有关,还和“暂停”状态的解除有关。

“这些节律基因的标靶,最高类别的就是新陈代谢路径,所以说生物钟秘密地控制着每天的新陈代谢。这些发现为研究短期转录动力学、生理周期、聚合酶和一般转录提供了新途径。”塔卡哈斯说,下一步是研究RNA聚合酶在一天的节律中是怎样受控的,是什么原因让聚合酶对某些基因在一天里的特定时间暂停,以及其他RNA分子在转录之后是如何被调控的。(来源:科技日报)

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