Genmutation bringt die biologische Uhr der Säugetiere durcheinander

Genmutation bringt die biologische Uhr der Säugetiere durcheinander
Genmutation bringt die biologische Uhr der Säugetiere durcheinander
Anonim

21. April 2000 - Forscher haben die Ursache einer genetischen Mutation ermittelt, die die biologische Uhr eines Hamsters vom normalen 24-Stunden-Tag auf einen 20-Stunden-Tag umstellt.

In der Ausgabe der Zeitschrift Science vom 21. April 2000 berichten Joseph S. Takahashi, ein Ermittler des Howard Hughes Medical Institute an der Northwestern University, und seine Kollegen, dass sie das vom Tau-Gen codierte Enzym identifiziert haben erste zirkadiane Einzelgen-Mutation, die bei Säugetieren entdeckt wurde. 1988 beschrieben Forscher erstmals das Tau-Gen bei Syrischen Hamstern, die eine kürzere biologische Uhr als normal aufwiesen.

"Die Tau-Mutante war wohl eines der bedeutendsten genetischen Tiermodelle für die Untersuchung des zirkadianen Rhythmus bei Säugetieren", sagte Takahashi. Die Identifizierung der Ursache der Tau-Mutation bietet Forschern ein neues Werkzeug zum Verständnis der biologischen Uhren des Menschen sowie ein potenzielles Ziel für Medikamente, die die biologische Uhr kontrollieren.

"Mit dem Klonen von Tau ist der Vorrat an Uhrenmutanten von Säugetieren für den Moment erschöpft, aber es besteht kaum ein Zweifel, dass viele der kritischen Elemente von Tieruhren identifiziert wurden", schreibt Michael W. Young von The Rockefeller University in einem Leitartikel, der in derselben Ausgabe von Science erscheint.

Die meisten biologischen Uhren arbeiten nach einem 24-Stunden- oder zirkadianen (lateinisch für „ungefähr einen Tag“) Zyklus, der Funktionen wie Schlafen und Wachen, Ruhe und Aktivität, Flüssigkeitshaush alt, Körpertemperatur, Herzzeitvolumen, Sauerstoffverbrauch und endokrine Drüsensekretion.Bei Säugetieren befinden sich die Hauptkomponenten der circadianen Uhr in Zellen im Gehirn. In diesen Zellen werden die molekularen Bestandteile der Uhr täglich durch die Einwirkung von Licht und anderen Reizen „aufgezogen“.

Takahashi und seine nordwestlichen Kollegen, Phillip L. Lowrey, Kazuhiro Shimomura, Marina P. Antoch und Peter Zemenides, mit Shin Yamazaki und Michael Menaker an der University of Virginia und Martin R. Ralph an der University of Toronto, verwendeten genetische und biochemische Techniken, um das durch die Tau-Mutation veränderte Enzym zu finden.

"Die Entdeckung der Tau-Mutation durch Ralph und Menaker vor mehr als einem Jahrzehnt war extrem wichtig, weil es die erste Mutation war, von der gezeigt wurde, dass sie den zirkadianen Rhythmus bei einem Säugetier verändert", sagte Takahashi. „Das Hauptproblem bei der Identifizierung des Gens, das dieser Mutation zugrunde liegt, war, dass es in Syrischen Hamstern gefunden wurde, die nicht zu den Modellorganismen gehörten, die im Human Genome Project angesprochen wurden.“Daher, sagte Takahashi, seien genetische Daten und Analysetechniken, die für Studien an Mäusen und Menschen verfügbar seien, für Hamsterstudien nicht verfügbar.

Um diese Hindernisse zu überwinden, versuchten Takahashi und seine Kollegen zunächst, einen syrischen Wildtyp-Hamsterstamm zu identifizieren, der sich genetisch von allen anderen syrischen Hamstern in Gefangenschaft unterschied. Syrische Hamster in Gefangenschaft sind die Nachkommen von Hamstern, die ursprünglich 1929 gefangen wurden.

Sobald sie einen Wildtyp-Hamsterstamm aus einem zweiten Fang im Jahr 1971 gefunden hatten, verwendeten sie eine genetische Subtraktionsmethode namens genetisch gerichtete Repräsentationsdifferenzanalyse, um detaillierte Vergleiche der Gene der beiden Hamsterstämme und deren Nachkommen durchzuführen resultierte aus Kreuzungen zwischen den beiden Stämmen.

Solche Vergleiche ermöglichten es den Forschern, spezifische DNA-Segmente zu identifizieren, die mit dem Tau-Lokus assoziiert sind. Aus diesen DNA-Fragmenten isolierten die Wissenschaftler dann aus Sammlungen von Hamstergenen größere DNA-Sequenzen, die sie mit Genen von Maus und Mensch verglichen. Diese Vergleiche zeigten, dass das Hamster-Tau-Gen für CKIe (Caseinkinase I epsilon) kodiert – eine Art von Enzym, das noch nie zuvor mit der Maschinerie der zirkadianen Uhr von Säugetieren in Verbindung gebracht worden war.

Interessanterweise fanden Michael W. Young und Kollegen an der Rockefeller University jedoch heraus, dass die zirkadiane Drosophila-Mutation Double-Time auch von einer Kaseinkinase I kodiert wird, die der Epsilon-Form der Säuger-CKI am ähnlichsten ist.

"Unsere Ergebnisse, sowohl aus der genetischen Kopplungsanalyse als auch aus der molekularen Analyse der spezifischen Genmutation, liefern den endgültigen Beweis, dass CKIe eine Komponente der zirkadianen Uhr von Säugetieren ist", sagte Takahashi.

Die Forscher machten sich dann daran, herauszufinden, wie die Substitutionen einzelner Aminosäuren in CKIe den zirkadianen Rhythmus verkürzen könnten. Sie fanden heraus, dass subtile strukturelle Veränderungen, die durch die substituierte Aminosäure eingeführt wurden, die Fähigkeit des Enzyms veränderten, als biochemischer Sch alter zu fungieren. Die Mutation machte das Enzym langsamer beim Einsch alten von Proteinen, die von einem Schlüsselgen für den zirkadianen Rhythmus namens PERIOD produziert werden, sagte Takahashi. Der regelmäßige Anstieg und Abfall der Spiegel dieser circadianen Proteine ​​bestimmt die Länge jedes Zyklus der biologischen Uhr.Die Veränderung des CKIe ändert effektiv den zirkadianen Rhythmus der Tiere von 24 auf 20 Stunden.

Laut Takahashi bietet die Entdeckung der Rolle des CKIe-Gens im zirkadianen Rhythmus eine beispiellose Gelegenheit für die Entwicklung von Medikamenten zur Steuerung der biologischen Uhr des Menschen.

"Wir wissen jetzt, dass es neun Gene gibt, die circadiane Rhythmen steuern, von denen acht für DNA-Transkriptionsfaktoren oder Transkriptionsregulatoren kodieren. CKIe ist das einzige Gen, das für ein Enzym kodiert, das viel einfacher zu verwenden ist als ein Ziel von Medikamenten. Solche Medikamente könnten möglicherweise die biologische Uhr einer Person verschieben und es dieser Person ermöglichen, sich leichter an sich ändernde Zeitpläne anzupassen, beispielsweise aufgrund von Reisen oder Schichtarbeit."

Spekulativer, sagte Takahashi, ist die Idee, dass Medikamente, die den zirkadianen Rhythmus kontrollieren, verwendet werden könnten, um entweder saisonale affektive Störungen – eine Depression, die durch weniger natürliches Licht im Winter verursacht wird – oder psychiatrische Störungen wie manische Depression zu behandeln, die dies zu tun scheinen mit Schlafstörungen in Verbindung gebracht werden.

"Die Entdeckung von CKIe wird es uns auch ermöglichen, die kinetischen Merkmale des zirkadianen Rhythmussystems zu untersuchen", fügte Takahashi hinzu. „Im Moment können wir diese schönen Diagramme der Funktionsweise des Systems zeichnen, aber wir haben immer noch kein Gefühl für die Geschwindigkeiten des Prozesses. Wir haben jetzt CKIe als zielregulierendes Enzym, das wir weiter untersuchen können, um zu untersuchen, was es bewirkt die Uhr geht bei Säugetieren schneller oder langsamer."

Beliebtes Thema