生物鐘的調(diào)控機制研究

生物鐘的調(diào)控機制研究○生物鐘基礎(chǔ)研究生物鐘調(diào)控的分子機制生物鐘蛋白的新功能研究○生物鐘應(yīng)用研究太空飛行環(huán)境中生物鐘的變化與機制生物鐘與生殖研究方向研究對象○粗糙鏈孢霉(N.crassa)○人及其他研究對象研究方法○生化、分子、細胞、遺傳○生理、代謝、行為生物晝夜節(jié)律實驗室生物鐘分子調(diào)控機制生物鐘蛋白的新功能研究太空飛行環(huán)境中生物鐘的變化與機制生物鐘與生殖生物鐘調(diào)節(jié)人體生理功能一.研究工作的主要進展生物鐘對于昆蟲遷徙的影響(Brady1979,BiologicalClocks,EdwardArnold,London)生物鐘是一種內(nèi)在的自運行節(jié)律一、Exosome復(fù)合物在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)節(jié)粗糙鏈孢霉生物鐘基因的表達

粗糙鏈孢霉Neurosporacrassa印尼食品oncham生物鐘的分子通路由正調(diào)節(jié)元件和負反饋回路組成仿Dunlap1999Cell正調(diào)控元件負調(diào)控元件輸出–鐘控基因生物鐘基因代謝和行為的節(jié)律Neurosporacircadianclocknetwork

Transcriptionalnegativefeedbackloop

(轉(zhuǎn)錄水平的負反饋調(diào)節(jié)通路)WC-1WC-2frqfrqmRNAFRQFRHFRQFRHFRQFRHNeurosporacircadianclocknetwork

Transcriptionalnegativefeedbackloop

(轉(zhuǎn)錄水平的負反饋調(diào)節(jié)通路)WC-1WC-2frqfrqmRNAFRQFRHFRQFRHFRQFRHNeurosporacircadianclocknetwork

Transcriptionalnegativefeedbackloop

(轉(zhuǎn)錄水平的負反饋調(diào)節(jié)通路)WC-1WC-2frqfrqmRNAFRQFRHFRQFRHFRQFRH轉(zhuǎn)錄水平翻譯水平生物鐘受轉(zhuǎn)錄-翻譯水平的負反饋調(diào)控frqmRNAFRQprotein轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)對于生物鐘的影響在各種生物中尚不清楚一、Exosome復(fù)合物對生物鐘基因表達的轉(zhuǎn)錄

后調(diào)控RNA螺旋酶FRH調(diào)節(jié)frq

mRNA的降解KnockdownofFRHresultedinretardeddecayandlongerpoly(A)tailoffrqmRNAThiolutin:一種轉(zhuǎn)錄抑制劑QA:quilicacid,奎寧酸dsfrhstrain（Guoetal2009Cell）2.Exosome,是一個負責RNA降解的復(fù)合物,我們的工作發(fā)現(xiàn)exosome組成了粗糙鏈孢霉生物鐘當中一條新的轉(zhuǎn)錄后水平的負反饋通路

因為mRNA的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)是基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)中的一個重要步驟,所以我們便在后續(xù)的工作中比較系統(tǒng)地研究了生物鐘基因mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)及其在生物鐘當中的意義.我們選擇了exosome作為了研究對象.RRP44/Dis3是exosome復(fù)合物中唯一具有核酸5’->3’外切酶活性的亞基Lorentzenetal.,2008PINc:Largefamilyofpredictednucleotide-bindingdomainRNB-Pfam:catalyticdomainofribonucleaseIIdomainS1:RibosomalproteinS1-likeRNA-bindingdomain

ExosomeDziembowskietal.,2007NatureStructural&MolecularBiologyExosome,amachineryforRNAdecayGenerationoftherrp44knockdownstrain（Guoetal2009Cell）在rrp44knockdown菌株中,frqmRNA和FRQ蛋白的表達仍呈現(xiàn)出節(jié)律性,但周期顯著長于野生型菌株(~28hr)（Guoetal2009Cell）frqmRNA的水平在RRP44knockdown菌株中顯著升高Exosome是一個負責RNA降解的分子機器,RRP44/Dis3是exosome約10個亞基中唯一一個具有核酸外切酶活性的亞基（Guoetal2009Cell）rrp44表達降低后frqmRNA的降解速率顯著減慢因此這些數(shù)據(jù)說明:exosome調(diào)節(jié)frqmRNA的降解那么反過來,exosome是否也受到生物鐘的調(diào)節(jié)呢?（Guoetal2009Cell）rrp44基因的表達受生物鐘節(jié)律性的調(diào)節(jié)frqpromoterWC-1WC-2WC-1WC-2rrp44promoter（Guoetal2009Cell）FRQregulatesthedegradationofitsowntranscriptsfrqmRNAdecayatDD12andDD20inwtstrainfrqFRQ（Guoetal2009Cell）生物鐘通過exosome來調(diào)節(jié)自己轉(zhuǎn)錄本的降解速率frqFRQRRP44基因的節(jié)律性表達Exosome的活性也呈現(xiàn)出節(jié)律性frqmRNA的降解速率也呈周期性變化（Guoetal2009Cell）生物鐘控制著rrp44/dis3的轉(zhuǎn)錄,rrp44的表達呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性.RRP44是exosome復(fù)合物中唯一具有核酸酶活性的亞基;

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

綜合以上結(jié)果,exosome組成了粗糙鏈孢霉生物鐘系統(tǒng)當中一條新的轉(zhuǎn)錄后水平的負反饋調(diào)節(jié)通路~~CircadianoscillatorExosome3.Exosome在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)節(jié)一些生物鐘輸出基因的mRNA的降解

ccgs(clock-controlledgenes)對于rrp44表達的抑制造成了一些ccg基因表達的節(jié)律性的喪失EquailamountoftotalRNAfromdsrrp44andwildtypestrainswassubjectedtoNorthernblottoanalyzetheRNAlevelsofsomeclock-controlledgenes(ccgs).（Guoetal2009Cell）ccgsmRNAfrqmRNAWC-1WC-2frqpromoterrrp44promoterRRP44FRQFRHFRQexosomeFRQFRHFRQWC-1WC-2FRQFRHPosttranscriptionalTranscriptionalFRQFRHFRQdegradationPPPPPPFRQFRHFRQFRHFRHFRHFRHGuoetal2009CellGuoetal2010JBCGuoetal2010Protein&CellZhangetal2011FEBSLettersExosome轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)粗糙鏈孢霉生物鐘的分子網(wǎng)絡(luò)二、微重力環(huán)境對生物鐘的影響及機制1.

45天頭低位臥床實驗對人睡眠及生物節(jié)律的影響臥床實驗對睡眠及活動的影響。A:臥床實驗的安排及取樣時間；B和C：兩個個體的睡眠變化情況；D:Actiwach記錄的手腕活動情況。45天頭低位臥床對于睡眠及活動的影響一.研究工作的主要進展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)臥床實驗中心率的變化情況。A:臥床前、中、后不同階段心率的變化情況；B-D:心率的振幅、相及周期的比較情況。45天頭低位臥床對于心率的影響一.研究工作的主要進展(submitted)尿樣中離子和激素的變化情況45天頭低位臥床對于尿樣激素和離子水平的影響一.研究工作的主要進展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天臥床實驗對尿液中離子和激素的影響一.研究工作的主要進展LiangetalPlosOne.201245天頭低位臥床對于排尿頻率的影響一.研究工作的主要進展排尿節(jié)律的變化情況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天頭低位臥床對于排便頻率的影響一.研究工作的主要進展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