生物钟的调控机制研究

生物钟的调控机制研究○生物钟基础研究生物钟调控的分子机制生物钟蛋白的新功能研究○生物钟应用研究太空飞行环境中生物钟的变化与机制生物钟与生殖研究方向研究对象○粗糙链孢霉(N.crassa)○人及其他研究对象研究方法○生化、分子、细胞、遗传○生理、代谢、行为生物昼夜节律实验室生物钟分子调控机制生物钟蛋白的新功能研究太空飞行环境中生物钟的变化与机制生物钟与生殖生物钟调节人体生理功能一.研究工作的主要进展生物钟对于昆虫迁徙的影响(Brady1979,BiologicalClocks,EdwardArnold,London)生物钟是一种内在的自运行节律一、Exosome复合物在转录后水平上调节粗糙链孢霉生物钟基因的表达

粗糙链孢霉Neurosporacrassa印尼食品oncham生物钟的分子通路由正调节元件和负反馈回路组成仿Dunlap1999Cell正调控元件负调控元件输出–钟控基因生物钟基因代谢和行为的节律Neurosporacircadianclocknetwork

Transcriptionalnegativefeedbackloop

(转录水平的负反馈调节通路)WC-1WC-2frqfrqmRNAFRQFRHFRQFRHFRQFRHNeurosporacircadianclocknetwork

Transcriptionalnegativefeedbackloop

(转录水平的负反馈调节通路)WC-1WC-2frqfrqmRNAFRQFRHFRQFRHFRQFRHNeurosporacircadianclocknetwork

Transcriptionalnegativefeedbackloop

(转录水平的负反馈调节通路)WC-1WC-2frqfrqmRNAFRQFRHFRQFRHFRQFRH转录水平翻译水平生物钟受转录-翻译水平的负反馈调控frqmRNAFRQprotein转录后调节对于生物钟的影响在各种生物中尚不清楚一、Exosome复合物对生物钟基因表达的转录

后调控RNA螺旋酶FRH调节frq

mRNA的降解KnockdownofFRHresultedinretardeddecayandlongerpoly(A)tailoffrqmRNAThiolutin:一种转录抑制剂QA:quilicacid,奎宁酸dsfrhstrain（Guoetal2009Cell）2.Exosome,是一个负责RNA降解的复合物,我们的工作发现exosome组成了粗糙链孢霉生物钟当中一条新的转录后水平的负反馈通路

因为mRNA的稳定性调节是基因转录后调节中的一个重要步骤,所以我们便在后续的工作中比较系统地研究了生物钟基因mRNA稳定性的调节及其在生物钟当中的意义.我们选择了exosome作为了研究对象.RRP44/Dis3是exosome复合物中唯一具有核酸5’->3’外切酶活性的亚基Lorentzenetal.,2008PINc:Largefamilyofpredictednucleotide-bindingdomainRNB-Pfam:catalyticdomainofribonucleaseIIdomainS1:RibosomalproteinS1-likeRNA-bindingdomain

ExosomeDziembowskietal.,2007NatureStructural&MolecularBiologyExosome,amachineryforRNAdecayGenerationoftherrp44knockdownstrain（Guoetal2009Cell）在rrp44knockdown菌株中,frqmRNA和FRQ蛋白的表达仍呈现出节律性,但周期显著长于野生型菌株(~28hr)（Guoetal2009Cell）frqmRNA的水平在RRP44knockdown菌株中显著升高Exosome是一个负责RNA降解的分子机器,RRP44/Dis3是exosome约10个亚基中唯一一个具有核酸外切酶活性的亚基（Guoetal2009Cell）rrp44表达降低后frqmRNA的降解速率显著减慢因此这些数据说明:exosome调节frqmRNA的降解那么反过来,exosome是否也受到生物钟的调节呢?（Guoetal2009Cell）rrp44基因的表达受生物钟节律性的调节frqpromoterWC-1WC-2WC-1WC-2rrp44promoter（Guoetal2009Cell）FRQregulatesthedegradationofitsowntranscriptsfrqmRNAdecayatDD12andDD20inwtstrainfrqFRQ（Guoetal2009Cell）生物钟通过exosome来调节自己转录本的降解速率frqFRQRRP44基因的节律性表达Exosome的活性也呈现出节律性frqmRNA的降解速率也呈周期性变化（Guoetal2009Cell）生物钟控制着rrp44/dis3的转录,rrp44的表达呈现出昼夜节律性.RRP44是exosome复合物中唯一具有核酸酶活性的亚基;

2)frqmRNA是exosome的底物,exosome可以加速frqmRNA的降解;

综合以上结果,exosome组成了粗糙链孢霉生物钟系统当中一条新的转录后水平的负反馈调节通路~~CircadianoscillatorExosome3.Exosome在转录后水平上调节一些生物钟输出基因的mRNA的降解

ccgs(clock-controlledgenes)对于rrp44表达的抑制造成了一些ccg基因表达的节律性的丧失EquailamountoftotalRNAfromdsrrp44andwildtypestrainswassubjectedtoNorthernblottoanalyzetheRNAlevelsofsomeclock-controlledgenes(ccgs).（Guoetal2009Cell）ccgsmRNAfrqmRNAWC-1WC-2frqpromoterrrp44promoterRRP44FRQFRHFRQexosomeFRQFRHFRQWC-1WC-2FRQFRHPosttranscriptionalTranscriptionalFRQFRHFRQdegradationPPPPPPFRQFRHFRQFRHFRHFRHFRHGuoetal2009CellGuoetal2010JBCGuoetal2010Protein&CellZhangetal2011FEBSLettersExosome转录后调节粗糙链孢霉生物钟的分子网络二、微重力环境对生物钟的影响及机制1.

45天头低位卧床实验对人睡眠及生物节律的影响卧床实验对睡眠及活动的影响。A:卧床实验的安排及取样时间；B和C：两个个体的睡眠变化情况；D:Actiwach记录的手腕活动情况。45天头低位卧床对于睡眠及活动的影响一.研究工作的主要进展Control(n=8)HDBR(n=8)Recovery(n=8)Timesofsleep(times)2.50(0.172)3.19(0.700)**2.62(0.130)Sleeptimeduringlights-on(h)1.1354(0.12855)1.6984(0.6108)

*1.7535(0.13227)*5.7917(0.19247)Sleeptimeduringlights-off(h)6.2708(0.27292)5.9281(0.08311)Totalsleeptime(h)7.4063(0.20179)7.6265(0.07087)7.5451(0.16742)Sleeptimesandtotalsleepresultswhicharepresentedasthemeans±SEM.**P≤0.01comparedwiththeperiodbeforeHDBRbyone-wayanalysisofvariance(ANOVA)andpost-hoccomparisons(Fisher'sleastsignificantdifference)methods.Sleeptimesandtotalsleeptimeperdayincontrol,HDBRandrecovery.(submitted)卧床实验中心率的变化情况。A:卧床前、中、后不同阶段心率的变化情况；B-D:心率的振幅、相及周期的比较情况。45天头低位卧床对于心率的影响一.研究工作的主要进展(submitted)尿样中离子和激素的变化情况45天头低位卧床对于尿样激素和离子水平的影响一.研究工作的主要进展LiangetalPlosOne.2012Control(n=8)HDBR(n=8)Recovery(n=8)C6–C8B1–B3B7–B9B17-B19B37–B39R4–R6Urinevolume(mL)Total(perday)1916.29(189.189)1684.21(131.748)1845.79(192.475)1913.75(38.216)2565.71(113.688)*1852.03(123.449)Lights-on1619.79(117.945)1324.67(154.723)1480.50(207.759)1505.83(71.541)1994.25(58.342)*1467.01(74.804)Lights-off296.50(83.565)359.54(24.709)365.29(86.816)407.92(35.915)571.46(61.560)*385.02(95.601)K+(PPM)Total(perday)536.71(44.035)547.21(31.984)568.47(33.089)545.65(19.671)605.21(36.358)555.55(97.615)Lights-on405.94(20.418)421.46(10.954)423.84(21.938)412.65(20.084)409.81(11.019)414.53(53.287)Lights-off130.77(24.909)125.74(21.968)144.63(31.275)132.99(39.472195.40(26.278)141.02(44.329)Na+(PPM)Total(perday)1755.48(313.188)2278.28(172.256)2093.94(286.641)2255.35(298.923)2003.48(74.855)2437.02(384.648)Lights-on1266.16(138.457)1490.54(254.949)1332.13(54.823)1585.39(25.956)1254.63(44.309)1543.73(96.912)Lights-off489.32(174.963)787.75(83.673)761.81(244.340)669.96(279.613)748.85(106.031)893.29(290.730)Cortisol(ng/mL)Total(perday)3287.72(493.56)3760.47(343.770)*4875.77(509.733)*5480.66(315.802)*5461.12(371.268)*5296.52(830.147)*Lights-on3144.76(488.281)3434.11(377.694)4406.38(523.394)5109.82(374.744)*4652.50(355.908)*4690.44(637.106)*Lights-off142.96(20.313)326.37(56.159)*469.39(76.028)*370.85(92.017)*808.627(2.296)*606.08(21.228)*Melatonin(ng/mL)Total(perday)1.36(0.401)1.67(0.147)1.19(0.342)1.85(0.136)2.19(0.157)*1.58(0.273)Lights-on0.72(0.198)0.92(0.128)0.58(0.041)0.91(0.101)0.95(0.087)0.90(0.110)Lights-off0.65(0.206)0.76(0.038)0.61(0.367)0.94(0.044)1.25(0.243)*0.68(0.169)Testosterone(ng/mL)Total(perday)2.63(0.174)3.14(0.201)3.55(0.191)*3.25(0.175)3.13(0.288)2.14(0.290)Lights-on2.12(0.145)2.46(0.214)2.68(0.279)2.54(0.251)2.15(0.129)1.61(0.099)Lights-off0.51(0.072)0.68(0.029)0.87(0.247)0.71(0.201)0.98(0.170)0.53(0.227)45天卧床实验对尿液中离子和激素的影响一.研究工作的主要进展LiangetalPlosOne.201245天头低位卧床对于排尿频率的影响一.研究工作的主要进展排尿节律的变化情况ControlHDBRRecoveryUrinaryfrequencyduringlights-on3.75±0.2283.83±0.1023.45±0.153Urinaryfrequencyduringlights-off0.75±0.1161.03±0.044*1.17±0.083*Totalurinaryfrequency4.50±0.3004.86±0.1214.61±0.162Urinaryfrequencyperdaybefore,duringandafterHDBRDataaremeans±SEM;n=8.Thedatawereanalysedbyone-wayanalysisofvariance(ANOVA)andpost-hoccomparisons(Fisher'sleastsignificantdifference)methods.*P≤0.05.LiangetalPlosOne.201245天头低位卧床对于排便频率的影响一.研究工作的主要进展ControlHDBRRecoveryDefecationtimesduring

light-on0.65±0.0600.78±0.0410.53±0.091Defecationtimesduring

light-off0.04±0.0420.02±0.0080.09±0.020Totaldefecationcount

0.69±0.0950.79±0.0430.63±0.067Defecationtimesperdaybefore,duringandafter