CLOCK基因简介.docx

生物钟基因简要概述昼夜节律是自然界最普遍的一种自然现象, 它的存在使生物体的生理、生化、行为等生命现象表现为以24 h 为周期的振荡。昼夜节律发生的物质基础是分子计时器, 即昼夜节律生物钟(circadian clock) 。它由一组特异的核心元件组成, 包括Clock、Bmal1、Pers 、Crys、Tim 等基因及其相关蛋白产物1。生物节律的基本分子机制, 是这些核心元件构成的转录- 翻译负反馈环。这个机制本质上是内源性的, 但同时会受环境信号, 尤其是光信号的导引。哺乳动物的主生物钟被定位在下丘脑视交叉上核( suprachiasmatic nuclei, SCN) ,当它受到异常刺激后, 机体的昼夜节律可发生改变, 严重时会导致疾病。但到目前为止, 维持生物钟运行的确切分子调控过程还不清楚。人类下丘脑视交叉上部具有特化的神经核团，即SCN，是生命活动的时序控制器，它们通过神经递质内分泌和体液途径影响周围器官和组织，控制和调节着睡眠和觉醒、代谢、内分泌、细胞增殖分裂和凋亡, 以及免疫等各个层面, 使生命活动在时序上协调有序。2而操控这些生命活动有序性进行的正是Clock基因、Bmal1基因、Crys基因等一系列生物钟基因。其中Clock基因是惟一的, 也是最早用正向遗传法鉴定出的。它是动物近日节律(circadianrhythm) 的必要调控者, 在节律时钟的组织中起着中心作用。3Clock基因的结构1994年美国西北大学Takahashi教授领导的研究小组发现, 单个的碱基突变可导致小鼠的生物钟节律丧失, 他们将这个半显性突变定位于第5号染色体的Clock基因上4 1997年5月Cell杂志报道了美国西北大学的Takahashi研究小组成功克隆了小鼠的生物钟基因。1999年4月Genonics杂志报道了美国西北大学的Takahashi研究小组对人类Clock基因(hCk)的克隆结果。至此人们对人类生物钟基因中Clock基因的真实结构以及其所编码的Clock蛋白有了深入的认识。Takahashi教授领导的研究小组通过搜索EST 数据库, 下丘脑cDNA文库筛选, 得到了人类cDNA编码的CLOCK蛋白。人CLOCK蛋白编码序列为2538 bp,其中89% 与鼠类似;846个氨基酸残基, 其中96%与鼠的CLOCK蛋白一致。放射杂交图谱分析发现, hClk 位于4 号染色体长臂(4q12), 含20个外显子, 其内含子/外显子的组成也与小鼠一样。hClk也有bHLH 结构域(氨基酸50 81) 和PAS结构域(氨基酸115 318), 及临近螺旋) 环) 螺旋的调节DNA域(氨基酸35 50), C端还有一个富含谷氨酰胺的结构域(氨基酸500 846)。Northern b lot分析揭示大部分组织中Clock的一个占主导地位的1010 kb 转录产物和一个主要的810 kb转录产物, 在睾丸、骨骼肌较多, 而在肺、肝和胸腺中最少。一个较少的410 kb 转录产物仅在睾丸中检测到。5Clock基因的表达与调控Clock基因在其编码的氨基酸序列中存在着多个保守区域, 包括bHLH、PAS- A、PAS- B和C末端的富Q 区。像其他的bHLH 转录因子一样,bHLH - PAS区的转录因子成员先结合DNA并转录调节接下来的聚合, 研究结果表明这个转录因子家族在核信号形成和转录上起着重要作用6、7。这些基因一旦被引导, 就会通过自我调节在适当的组织维持表达水平, 至少2个其它的bHLHPAS蛋白ar2yl羟受体(AHR)和垂体诱导因子A(HIFA)是这样的(Nambu等,1991)。在哺乳动物中, Clock 基因的转录与转录激活因子DBP (白蛋白启动子结合蛋白D成分) 和肝脏中的脂肪基因7 - a羟基化酶相关。分离受生物clock基因控制的下游靶基因, 分析其结构, 有助于理解生物节律起搏器对输出途径的影响。当节律信息自起搏器传递至效应细胞后, 在激素等因素参与下, 细胞膜中转运蛋白构型、颗粒大小和排列方式改变, 影响细胞膜对离子的通透性和离子浓度,引起膜两侧电位改变, 诱发一定频率的膜系统振荡, 循环往复, 形成昼夜节律的周期性表现8。光照对Clock基因表达的影响研究证明，Clock 基因在中枢SCN 的昼夜表达, 在光照-黑暗交替(LD,12 h光照-12h黑暗) 条件下峰值位相比全黑暗(DD,24h黑暗)条件下提前了10h;而在外周淋巴细胞中,峰值位相却滞后了9h。另一方面,在LD 条件下Clock 基因在SCN 和外周淋巴细胞中的峰值表达几乎呈反相关系, 即SCN 中的峰值位相比淋巴细胞提前约12 h;而在DD 条件下,其位相关系又表现为滞后8h。这些结果提示,光照能影响Clock基因昼夜节律的表达形式,但不能改变昼夜节律本身的性质。至于光照影响节律位相的原因及其意义,则是今后进一步研究的目标。9大鼠松果体钟基因Clock的内源性昼夜表达曾认为Clock基因mRNA 的丰度在钟结构中以持续而恒定的水平表达，持续黑暗24 h内不具有昼夜节律性振荡。10 有研究采取DD光制，在没有环境光信号导引的条件下，发现松果体Clock基因的表达仍具有显著的内源性自由运转节律。11 在LD光制下，松果体Clock基因表达呈现昼低夜高节律性振荡，其峰值及谷值分别出现于CT18(黑暗期)和CT6(光照期) 12此外，与LD光制相比，DD光制下松果体Clock基因表达的内源性节律在时相上略有提前。表明光信号的诱导可延迟松果体Clock基因表达的节律相位。由松果体分泌、释放的褪黑素，在血液中的浓度呈现昼低夜高，其合成与分泌受到关键酶NAT基因的控制，并受SCN 传入神经的调节_7 J。而褪黑素以组织细胞间化学信使的形式，对SCN和外周生理节律进行昼夜动态调节。13因此，SCN和松果体之间相互联系，共同形成核心生物钟，发挥昼夜节律整体振荡作用Clock基因失调疾病及研究展望昼夜节律是生物体最普遍的一种节律, Clock基因的失调必然导致疾病。但是人类对Clock基因的完全认识还有很长一段路程。就此，我们提出了一系列问题：目前,对Clock基因的研究资料大多来自动物, 那么作为哺乳动物的人的机制是否与动物完全一样Clock基因是如何从整体上调节各组织器官的?还有哪些基因参与昼夜节律的调节? 调节的生物化学基础是什么? 如果有一天人类真的阐明了昼夜节律的输入、振荡器、输出途经中的各个环节的机理, 那么象时差反应、轮班制工作、以及睡眠失调等疾病的治疗将迎刃而解。同时也将大大推动时间诊断学、时间药理学、时间毒理学等学科的发展。参考文献1 King DP, Takahashi JS.Molecular genetics of circadian rhythms in mammalsJ . Annu Rev Neurosci, 2000, 23: 713_742.2 Panda S, H ogenesch JB1 It. s a ll in the timing, Manyclocks, many ou tputs1 J Biol Rhythms, 2004, 19 ( 5 ):374- 38713 CLOCK基因的结构、变异及其表达4 V itate rnaMH, K ing DP, Chang AM1Mutagenesis and map2p ing of a mouse gene, Clock, essentia l for circad ian behav2ior, et a l1 Science, 1994, 264 ( 5159 ): 719- 72515 Steeves TDL, K ing DP, Zhao YL, et a l1Molecular Clon ingand Character ization of theHuman CLOCK G ene: Expressionin the Suprachiasma tic Nucle i1Genom ics, 1999, ( 57):189- 20016 Murre C, McCaw PS, Baltimore D1A new DNA b inding anddimer ization motif in immunoglobu lin enhancer b inding,daughter less, MyoD, and myc prote ins1Ce l,l 1989, 56( 5): 777- 78317Nambu JR, Lew is JO, Wharton KA J, et a l1The Drosoph i2la single2m inded gene encodes a helix2loop2helix prote in thatac ts as amaster regu lator ofCNSm id line development1Ce l,l1991, 67 ( 6): 1157- 116718 Takahashi JS1Molecular neurob iology and genetics of circa2dia rhythms in mamma ls1Annu Rev Neurosc i1 1995, 18:531- 553110 Fukada Y，Okano TCircadian clock system in t