Novo istraživanje multidisciplinarnog tima pomaže da se osvetle mehanizmi koji stoje iza cirkadijalnih ritmova, nudeći novu nadu za suočavanje sa kašnjenjem mlaznog aviona, nesanicom i drugim poremećajima spavanja.
Koristeći inovativne tehnike krio-elektronske mikroskopije, istraživači su identifikovali strukturu fotosenzora cirkadijalnog ritma i njegovu metu u voćnim mušicama (Drosophila melanogaster), jednom od glavnih organizama koji se koriste za proučavanje cirkadijalnih ritmova. Istraživanje „Criptochrome-Timeless Structure Reveals Circadian Clock Timing Mechanisms“ objavljeno je 26. aprila u časopisu Nature.
Istraživanje se fokusiralo na kriptohrome voćne mušice, ključne komponente cirkadijalnih satova biljaka i životinja, uključujući ljude. Kod muva i drugih insekata, kriptohromi, aktivirani plavom svetlošću, služe kao primarni svetlosni senzori za postavljanje cirkadijanskih ritmova. Meta kriptohromnog fotosenzora, poznatog kao „Vremenski“ (TIM), je veliki, složeni protein koji se ranije nije mogao snimiti i stoga njegove interakcije sa kriptohromom nisu dobro shvaćene.
Cirkadijalni ritmovi funkcionišu preko onoga što su u osnovi genetske povratne sprege. Istraživači su otkrili da TIM protein, zajedno sa svojim partnerom, proteinom Period (PER), deluju zajedno da inhibiraju gene koji su odgovorni za sopstvenu proizvodnju. Sa odgovarajućim kašnjenjima između događaja ekspresije gena i represije, uspostavlja se oscilacija nivoa proteina.
Ova oscilacija predstavlja „otkucavanje sata i čini se da je prilično jedinstvena za cirkadijalni ritam“, rekao je stariji autor Brajan Krejn, profesor Džordža V. i Grejs L. Tod i katedra za hemiju i hemijsku biologiju na Fakultetu umetnosti i nauke.
Plavo svetlo, rekao je Krejn, menja hemiju i strukturu flavin kofaktora kriptohroma, što omogućava proteinu da veže TIM protein i inhibira TIM-ovu sposobnost da potisne ekspresiju gena i time resetuje oscilaciju.
Veliki deo teškog rada studije ušao je u pronalaženje kako da se proizvede kompleks kriptohrom-TIM-a da bi se mogao proučavati, jer je TIM tako veliki, glomazni protein, rekao je Krejn. Da bi postigli svoje rezultate, prvi autor Changfan Lin, M.S. ’17, Ph.D. ’21, modifikovao je kriptohrom protein da poboljša stabilnost kompleksa kriptohrom-TIM i koristio inovativne tehnike za prečišćavanje uzoraka, čineći ih pogodnim za snimanje u visokoj rezoluciji.
„Ove nove metode su nam omogućile da dobijemo detaljne slike proteinskih struktura i steknemo vredan uvid u njihovu funkciju“, rekao je Lin, postdoktorski saradnik Friedrich’s Atakia Research Alliance na Kalifornijskom institutu za tehnologiju. „Ovo istraživanje ne samo da produbljuje naše razumevanje regulacije cirkadijalnog ritma, već i otvara nove mogućnosti za razvoj terapija koje ciljaju povezane procese.“
Koautor Ši Feng, student doktorskih studija u oblasti biofizike, uradio je veliki deo krio-elektronske mikroskopije. Koautor je bila i Cristina C. DeOliveira, student doktorskih studija iz oblasti biohemije i molekularne i ćelijske biologije.
Jedan neočekivani rezultat studije baca svetlo na to kako se oštećenje DNK popravlja u ćeliji. Kriptohromi su blisko povezani sa porodicom enzima uključenih u popravku oštećenja DNK, koja se nazivaju fotoliaze. Krejn je rekao da istraživanje „objašnjava zašto su ove porodice proteina usko povezane jedna sa drugom, iako rade sasvim različite stvari – koriste isto molekularno prepoznavanje u različitim kontekstima.
Studija takođe nudi objašnjenje za genetsku varijaciju muva koja im omogućava da se prilagode višim geografskim širinama, gde su dani kraći zimi i hladnije. Ove mušice imaju više određene genetske varijante koja uključuje promenu u TIM proteinu, i nije bilo jasno zašto bi im varijacija mogla pomoći. Istraživači su otkrili da zbog načina na koji kriptohrom vezuje TIM, varijacija smanjuje afinitet TIM-a za kriptohrom. Interakcija između proteina se zatim modulira i sposobnost svetlosti da resetuje oscilacije se menja, čime se menja cirkadijalni sat i produžava period mirovanja muve, što joj pomaže da preživi zimu.
„Neke od interakcija koje vidimo ovde u voćnoj mušici mogu se mapirati na ljudske proteine“, rekao je Krejn. „Ova studija nam može pomoći da razumemo ključne interakcije između komponenti koje regulišu ponašanje u snu kod ljudi, kao što je to kako se kritična kašnjenja u osnovnom mehanizmu vremena ugrađuju u sistem.
Još jedno uzbudljivo otkriće, rekao je Lin, bilo je otkriće važne strukturne oblasti u TIM-u, nazvane „žleb“, što pomaže da se objasni kako TIM ulazi u ćelijsko jezgro. Prethodne studije su identifikovale neke faktore uključene u ovaj proces, ali tačan mehanizam je ostao nejasan. „Naše istraživanje je pružilo jasnije razumevanje ovog fenomena“, rekao je Lin.
