Nowe badania multidyscyplinarnego zespołu pomagają wyjaśnić mechanizmy stojące za rytmami okołodobowymi, dając nową nadzieję na radzenie sobie z jet lagiem, bezsennością i innymi zaburzeniami snu.

Korzystając z innowacyjnych technik kriomikroskopii elektronowej, naukowcy zidentyfikowali strukturę fotoczujnika rytmu dobowego i jego cel u muszki owocowej (Drosophila melanogaster), jednego z głównych organizmów wykorzystywanych do badania rytmów dobowych. Badanie „Cryptochrome-Timeless Structure Reveals Circadian Clock Timing Mechanisms” zostało opublikowane 26 kwietnia w Nature.

Badania koncentrowały się na kryptochromach muszek owocowych, kluczowych składnikach zegarów okołodobowych roślin i zwierząt, w tym ludzi. U much i innych owadów kryptochromy, aktywowane przez niebieskie światło, służą jako główne czujniki światła do ustalania rytmów okołodobowych. Celem kryptochromowego fotosensora, znanego jako „Timeless” (TIM), jest duże, złożone białko, którego wcześniej nie można było zobrazować, a zatem jego interakcje z kryptochromem nie są dobrze poznane.

Rytmy okołodobowe działają poprzez genetyczne pętle sprzężenia zwrotnego. Naukowcy odkryli, że białko TIM wraz ze swoim partnerem, białkiem Period (PER), działają razem, hamując geny odpowiedzialne za ich własną produkcję. Przy odpowiednich opóźnieniach między zdarzeniami ekspresji genów i represji ustala się oscylacja poziomów białka.

Ta oscylacja reprezentuje „tykanie zegara i wydaje się być dość charakterystyczna dla rytmu okołodobowego” – powiedział starszy autor Brian Crane, profesor George W. i Grace L. Todd oraz kierownik katedry chemii i biologii chemicznej w College of Arts. i nauki.

Niebieskie światło, powiedział Crane, zmienia chemię i strukturę kofaktora flawinowego kryptochromu, co pozwala białku wiązać się z białkiem TIM i hamować zdolność TIM do tłumienia ekspresji genów, a tym samym resetowania oscylacji.

Crane powiedział, że znaczna część ciężkiej pracy badawczej polegała na ustaleniu, jak wyprodukować kompleks kryptochrom-TIM, aby można go było badać, ponieważ TIM jest tak dużym, nieporęcznym białkiem. Aby osiągnąć swoje wyniki, pierwszy autor Changfan Lin, MS ’17, Ph.D. ’21 zmodyfikował białko kryptochromu, aby poprawić stabilność kompleksu kryptochrom-TIM i zastosował innowacyjne techniki oczyszczania próbek, czyniąc je odpowiednimi do obrazowania w wysokiej rozdzielczości.

„Te nowe metody pozwoliły nam uzyskać szczegółowe obrazy struktur białkowych i uzyskać cenny wgląd w ich funkcję”, powiedział Lin, stypendysta Friedrich’s Ataxia Research Alliance w California Institute of Technology. „Badania te nie tylko pogłębiają naszą wiedzę na temat regulacji rytmu okołodobowego, ale także otwierają nowe możliwości opracowywania terapii ukierunkowanych na powiązane procesy”.

Współautor Shi Feng, doktorant w dziedzinie biofizyki, wykonał wiele prac związanych z kriomikroskopią elektronową. Współautorką była również Cristina C. DeOliveira, doktorantka z zakresu biochemii oraz biologii molekularnej i komórkowej.

Jeden nieoczekiwany wynik badania rzuca światło na sposób naprawy uszkodzeń DNA w komórce. Kryptochromy są blisko spokrewnione z rodziną enzymów zaangażowanych w naprawę uszkodzeń DNA, zwanych fotoliazami. Crane powiedział, że badania „wyjaśniają, dlaczego te rodziny białek są ze sobą blisko spokrewnione, mimo że robią zupełnie inne rzeczy – wykorzystują to samo rozpoznanie molekularne w różnych kontekstach”.

Badanie oferuje również wyjaśnienie zmienności genetycznej much, która pozwala im przystosować się do wyższych szerokości geograficznych, gdzie zimą dni są krótsze i jest chłodniej. Te muchy mają bardziej określony wariant genetyczny, który obejmuje zmianę w białku TIM i nie było jasne, dlaczego ta odmiana może im pomóc. Naukowcy odkryli, że ze względu na sposób, w jaki kryptochrom wiąże TIM, zmienność zmniejsza powinowactwo TIM do kryptochromu. Interakcja między białkami jest następnie modulowana i zmienia się zdolność światła do resetowania oscylacji, zmieniając w ten sposób zegar dobowy i wydłużając okres spoczynku muchy, co pomaga jej przetrwać zimę.

„Niektóre interakcje, które obserwujemy tutaj u muszki owocowej, można zmapować na ludzkie białka” – powiedział Crane. „To badanie może pomóc nam zrozumieć kluczowe interakcje między komponentami, które regulują zachowanie podczas snu u ludzi, na przykład w jaki sposób krytyczne opóźnienia w podstawowym mechanizmie synchronizacji są wbudowane w system”.

Innym ekscytującym odkryciem, powiedział Lin, było odkrycie ważnego obszaru strukturalnego w TIM, zwanego „rowkiem”, który pomaga wyjaśnić, w jaki sposób TIM wchodzi do jądra komórkowego. Wcześniejsze badania zidentyfikowały pewne czynniki zaangażowane w ten proces, ale dokładny mechanizm pozostawał niejasny. „Nasze badania pozwoliły lepiej zrozumieć to zjawisko” – powiedział Lin.

Linda B. Glaser jest kierownikiem ds. wiadomości i kontaktów z mediami w College of Arts and Sciences.