Doubletime ( dbt ), también conocido como discs overgrown ( dco ), es un gen que codifica la proteína de doble tiempo (DBT) en Drosophila melanogaster . La proteína de doble tiempo es una quinasa que fosforila la proteína PER que regula el reloj biológico impulsado por las moléculas que controla el ritmo circadiano . [1] El homólogo de doble tiempo en mamíferos es la caseína quinasa I épsilon . Diferentes mutaciones en el dbtSe ha demostrado que los genes causan alargamiento, acortamiento o pérdida completa del período de actividad locomotora en las moscas. Drosophila y cierta caseína quinasa Id de vertebrados muestran una función circadiana que se ha conservado evolutivamente durante largos períodos de tiempo. [2]
doble tiempo | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||
Organismo | ||||||
Símbolo | dbt | |||||
Alt. simbolos | dco | |||||
Entrez | 43673 | |||||
RefSeq (ARNm) | NM_001276203.1 | |||||
RefSeq (Prot) | NP_001263132.1 | |||||
UniProt | O76324 | |||||
Otros datos | ||||||
Número CE | 2.7.11.1 | |||||
Cromosoma | 3R: 26,88 - 26,89 Mb | |||||
|
caseína quinasa 1, épsilon | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||
Símbolo | CSNK1E | |||||
Gen NCBI | 1454 | |||||
HGNC | 2453 | |||||
OMIM | 121695 | |||||
RefSeq | NM_001894 | |||||
UniProt | P49674 | |||||
Otros datos | ||||||
Número CE | 2.7.11.1 | |||||
Lugar | Chr. 22 q13.1 | |||||
|
Descubrimiento
El gen del tiempo doble ( dbt ) fue identificado y caracterizado por primera vez en 1998 por Michael Young y su equipo en la Universidad Rockefeller . [3] El grupo de investigación de Young, encabezado por Jeffrey Price , publicó sus resultados en un artículo que caracterizaba tres alelos de dbt en moscas de la fruta. [4] descubrieron que dos alelos mutantes, nombrados a corto y largo ( dbt s y dbt l , respectivamente) que eran capaces de alterar el ciclo normal de per y tim . [3] [4] El equipo de Young sospechaba que el retraso entre el aumento de los niveles de ARNm de per y tim y el aumento de la proteína PER y TIM se debía a los efectos de otra proteína. Young sospechaba que esta proteína posponía la acumulación intercelular de la proteína PER destruyéndola. Solo cuando PER se emparejó con TIM no fue posible este desglose. Este trabajo mostró que DBT regulaba el desglose de PER. [3] [4]
Young nombró al gen novedoso tiempo doble ( dbt ) debido a su efecto sobre el período normal de Drosophila. Las moscas mutantes que solo expresaron dbt s tuvieron un período de 18 horas, mientras que las que expresaron dbt l tuvieron un período de 28 horas. [4] Además, el equipo de Young aisló un tercer alelo, dbt p ', que causó letalidad en la pupa al eliminar cualquier producto per o tim en las larvas. [4] Los mutantes dbt p eran importantes porque proporcionaban pistas sobre cómo funcionaba el producto génico. [3] Sin la proteína DBT funcional, las moscas acumulan altos niveles de PER y estas proteínas PER no se desintegran en ausencia de apareamiento con la proteína TIM. Estos mutantes expresaron niveles citosólicos más altos de PER que las células en las que la proteína PER se asoció con la proteína TIM. El gen del tiempo doble regula la expresión de PER, que a su vez controla el ritmo circadiano. [3] El equipo de Young luego clonó el gen dbt y descubrió que la proteína DBT era una quinasa que fosforilaba específicamente las proteínas PER. Por tanto, en los mutantes dbt, las proteínas PER no fueron fosforiladas por la proteína DBT. [4]
Gene
El gen está ubicado en el brazo derecho del cromosoma 3. [4] La transcripción de ARNm de dbt tiene una longitud de 3,2 kilopares de bases y contiene cuatro exones y tres intrones .
Proteína
La proteína DBT está compuesta por 440 aminoácidos . [5] La proteína tiene un sitio de unión de ATP , dominios catalíticos de serina / treoína quinasa y varios sitios potenciales de fosforilación , incluido un sitio para la autofosforilación . [5]
Función
Regulación del ritmo circadiano.
En Drosophila, un mecanismo de reloj impulsado por moléculas funciona para regular los ritmos circadianos, como la actividad locomotora y la eclosión, al hacer oscilar los niveles de las proteínas PER y TIM a través de bucles de retroalimentación positiva y negativa . [4] [6] El gen del doble tiempo produce la proteína DBT, una quinasa que fosforila la PER para regular su acumulación en el citoplasma y su degradación en el núcleo. [6] [7] En el citoplasma, los niveles de PER y TIM aumentan durante la noche, y DBT se une a PER mientras que los niveles de TIM aún son bajos. [8] DBT fosforila el PER citoplásmico, lo que conduce a su degradación. Solo una vez que TIM se acumula, PER y TIM se unen, y esta unión inhibe la degradación de PER. Esta degradación citoplásmica de PER y luego acumulación provoca el retraso de 4-6 horas observado entre los niveles de per mRNA y los niveles de proteína PER. [8] El complejo PER / TIM, todavía unido a DBT, migra al núcleo donde suprime la transcripción de per y tim. TIM se pierde del complejo y luego DBT fosforila PER, lo que conduce a su degradación, lo que permite la transcripción del reloj y los genes controlados por el reloj (aquellos con la transcripción controlada por mecanismos circadianos). [8] [9] Las oscilaciones en la presencia de las proteínas PER y TIM provocan oscilaciones en la expresión de ellos mismos y de otros genes, que es la base de la ritmicidad circadiana. [6]
La transcripción del ARNm de dbt y los niveles de la proteína DBT son constantes a lo largo del día y no están controlados por los niveles de PER / TIM. Sin embargo, la ubicación y concentración de la proteína DBT dentro de la célula cambia a lo largo del día. [5] Está constantemente presente en el núcleo en diferentes niveles, pero en el citoplasma está predominantemente presente al final del día y temprano en la noche, cuando los niveles de PER y TIM alcanzan su punto máximo [5]
Antes de que DBT comience a fosforilar PER, una proteína diferente llamada NEMO / NLK quinasa comienza a fosforilar PER en su dominio per-corto. Esta fosforilación estimula a DBT para que comience a fosforilar PER en múltiples sitios cercanos. En total, hay alrededor de 25-30 sitios de fosforilación en PER. [10] El PER fosforilado se une a la proteína SLIMB de la caja F, y luego se dirige a la degradación a través de la vía ubiquitina-proteasoma. [7] Por lo tanto, la fosforilación de PER por DBT conduce a una disminución en la abundancia de PER, que es un paso necesario en la función del reloj interno del organismo. [7]
La actividad de DBT sobre PER se ve favorecida por la actividad de las proteínas CKII y SGG, y es antagonizada por una proteína fosfatasa expresada rítmicamente. Es posible, pero actualmente se desconoce, si DBT regula otras funciones de PER o de otras proteínas circadianas. [6] No ha habido evidencia que sugiera que DBT se una directamente a TIM. [5] Más bien, la única quinasa conocida que fosforila directamente TIM es la proteína quinasa SHAGGY (SGG), pero esto no afecta de manera importante a la estabilidad de TIM, lo que sugiere la presencia de una quinasa o fosfatasa diferente. [11] DBT juega un papel en el reclutamiento de otras quinasas en complejos de represión PER. Estas quinasas fosforilan el factor de transcripción CLK, que libera el complejo CLK- CYC de la E-Box y reprime la transcripción. [1]
Alelos mutantes
Hay tres alelos mutantes primarios de dbt : dbt S , que acorta el período de funcionamiento libre del organismo (su período interno en condiciones de luz constante); dbt L , que alarga el período de ejecución libre; y dbt P , que causa la letalidad de las pupas y elimina las proteínas del ciclo circadiano y la transcripción per y tim . [4] Todos los mutantes excepto dbt S producen una degradación diferencial de PER que se corresponde directamente con su comportamiento fenotípico. La degradación de Dbt S PER se asemeja al DBT de tipo salvaje, lo que sugiere que dbt S no afecta el reloj a través de este mecanismo de degradación. Se ha sugerido que dbt S actúa actuando como represor o produciendo un patrón de fosfoilación diferente del sustrato. Dbt S provoca la terminación anticipada de por transcripción. [7]
La mutación dbt L hace que el período de oscilaciones PER y TIM , así como la actividad del comportamiento animal, se alargue hasta aproximadamente 27 horas. Este ritmo extendido es causado por una tasa disminuida de fosforilación de PER debido a niveles más bajos de actividad de la quinasa DBT. Esta mutación está causada por una sustitución en la secuencia de la proteína (mutación Met-80 → Ile). La mutación dbt S causa un período de oscilación PER / TIM de 18 a 20 horas. No existe evidencia actual del mecanismo afectado por la mutación, pero está causado por una sustitución en la secuencia de la proteína (mutación Pro-47 → Ser). [7]
Otra mutación de dbt es dbt AR , que provoca actividades arrítmicas en Drosophila. Es un alelo hipermórfico que es el resultado de una mutación His 126 → Tyr. Las moscas homocigotas con esta mutación son viables pero arrítmicas, mientras que los heterocigotos dbtAR / + tienen períodos extralargos de aproximadamente 29 horas, y su actividad quinasa DBT se reduce a la tasa más baja de todos los alelos DBT. [7]
No circadiano
Las mutaciones del gen reloj, incluidas las del dbt de Drosophila , alteran la sensibilización de la actividad locomotora inducida por fármacos después de la exposición repetida a psicoestimulantes . Drosophila con alelos mutantes de dbt no mostró sensibilización locomotora en respuesta a la exposición repetida a la cocaína . [12] Además, existe evidencia experimental de que este gen funciona en 13 procesos biológicos únicos, incluida la regulación biológica, el proceso metabólico del fósforo, el establecimiento de la polaridad plana, la regulación positiva del proceso biológico, el proceso celular, el proceso de desarrollo de un solo organismo, la respuesta a estímulo, respuesta a una sustancia orgánica, desarrollo de órganos sensoriales, modificación de macromoléculas, crecimiento, organización o biogénesis de componentes celulares y proceso rítmico. [13] El nombre alternativo del gen, discos sobrecrecidos, se refiere a su función como gen regulador del crecimiento celular que tiene fuertes efectos de supervivencia celular y control del crecimiento en discos imaginales , un atributo de la etapa de larvas de mosca. La proteína es necesaria en el mecanismo que une la supervivencia celular durante la proliferación y la detención del crecimiento. [5]
No catalítico
La proteína DBT puede desempeñar un papel no catalítico en la atracción de quinasas que fosforilan CLOCK ( CLK ), un activador de la transcripción. [1] DBT tiene un papel no catalítico en el reclutamiento de quinasas, algunas de las cuales aún no se han descubierto, en el ciclo de retroalimentación de la traducción de la transcripción (TTFL). [14] La actividad catalítica de DBT no está relacionada con la fosforilación CLK o su represión transcripcional. La fosforilación de PER por DBT es integral en la represión de la transcripción dependiente de CLK. La proteína DBT juega un papel no catalítico en el reclutamiento de quinasas adicionales que fosforilan CLK indirectamente, regulando así a la baja la transcripción. Existe una vía similar en mamíferos debido a la conservación mecanicista del homólogo de CKI. [1] En 2004, En DBT s y dbt l mutantes, Drosophila células ha reducido CKI-7 actividad. [15]
Homólogos de mamíferos
Caseína quinasa I
La familia de quinasas de la caseína quinasa 1 (CKI) es un grupo de proteínas altamente conservado que se encuentran en organismos desde Arabidopsis , Drosophila y humanos. [16] Debido a que dbt es un miembro de esta familia, surgieron preguntas sobre el papel de estos genes relacionados en otros sistemas modelo. Dentro de los mamíferos, hay siete isoformas de CKI , todas con diversas funciones relacionadas con la fosforilación de proteínas. Se encontró que CKIε era más homólogo a dbt, con una similitud del 86%. [16] Junto con esta similitud genética, se ha descubierto que las proteínas son funcionalmente homólogas. Así como la fosforilación por dbt en Drosophila se dirige a las proteínas PER para la degradación del proteasoma, la fosforilación de CKIε reduce la estabilidad de las proteínas PER de mamíferos, marcándolas para su degradación. [16] [17] [18] Sin embargo, aunque dbt y CKIε desempeñan funciones similares en sus respectivos organismos, los estudios que analizan la eficacia de CKIε en Drosophila han demostrado que no son completamente intercambiables funcionalmente. [19] No obstante, las funciones son extremadamente similares. Específicamente, se ha demostrado que CKIε reduce la vida media de mPER1, uno de los tres homólogos PER de mamíferos. [16] Además, la localización nuclear de las proteínas mPER está relacionada con la fosforilación, lo que agrega otra función esencial a la actividad de la proteína CKIε. [16] En general, la similitud genética de dbt y CKIε no es el final de la historia; los roles que desempeñan dentro del reloj circadiano en sus respectivos sistemas son casi idénticos. Ambos están involucrados en la fosforilación periódica, regulando las oscilaciones de los relojes circadianos.
Papel de los CKIε
Inicialmente, el papel de CKIε en el reloj circadiano de los mamíferos se descubrió como resultado de una mutación en hámsteres. La mutación tau en el hámster dorado sirio fue la primera en mostrar una anomalía hereditaria de los ritmos circadianos en los mamíferos. [16] Los hámsteres con la mutación exhiben un período más corto que los de tipo salvaje. Los heterocigotos tienen un período de aproximadamente 22 h, mientras que el período de los homocigotos es incluso más corto, aproximadamente 20 h. [16] Debido a investigaciones previas que indicaron el papel de dbt en el establecimiento del período, se encontró que la mutación tau estaba en el mismo locus que el gen CKIε. [20] Por lo tanto, esta mutación se relaciona con las mutaciones dbt S y dbt L , que afectan el período interno de la mosca. Sin embargo, parece que las fuerzas que impulsan estos cambios de período son diferentes. Se encontró que la mutación puntual que da como resultado el mutante tau disminuyó la actividad de la cinasa CKIε in vitro . En las moscas, por otro lado, la mutación dbt L se asocia con una disminución en la actividad dbt y un período más largo. Esto es consistente con otro experimento realizado en hámsteres que mostró un alargamiento del período causado por la inhibición de CKI. [18] Para investigar esta discrepancia, los investigadores estudiaron la vida media de PER2 bajo la influencia de CKIε, CKIεtau y CKIε de tipo salvaje (K38A), que es un mutante inactivo para quinasas. [18] Los resultados indicaron que la mutación tau era en realidad una mutación de ganancia de función, en lugar de pérdida de función, que provocó la degradación más rápida de las proteínas PER. Por lo tanto, la mutación tau en hámsters puede considerarse similar a las mutaciones en dbt que cambian el período interno.
Importancia de la fosforilación rítmica
También se ha observado un papel de CKIε en humanos relacionado con el síndrome de fase avanzada del sueño familiar , en el que los individuos tienen un período mucho más corto que el humano típico. En este caso, no parece ser una mutación de la propia proteína CKIε, sino en el sitio de unión para la fosforilación de la proteína PER2. [dieciséis]
Además, se ha demostrado que la actividad quinasa está implicada en la localización nuclear de PER y otros genes implicados en la ritmicidad circadiana. [21] Por lo tanto, es esta fosforilación la que permite al PER reprimir su propia transcripción y retrasar el sistema circadiano. Sin la fosforilación de PER, por dbt en Drosophila o por CKIε en mamíferos, no habría oscilaciones porque se rompería el circuito de retroalimentación .
Incluso se ha propuesto que esta fosforilación rítmica en sí misma podría ser un factor impulsor de los relojes circadianos. Hasta este punto, el ciclo de retroalimentación negativa de transcripción-traducción se ha identificado como la fuente de oscilaciones y ritmos en los relojes biológicos. Pero los experimentos de fosforilación de la proteína cianobacteriana KaiC in vitro mostraron que los ritmos persistían sin la presencia de ninguna transcripción o traducción. [22] Por lo tanto, las quinasas como dbt y CKIε podrían desempeñar funciones aún más importantes dentro de los relojes circadianos que solo dirigirse a las proteínas para su degradación.
Ver también
- Periodo (gen)
- Atemporal (gen)
- Quinasa
Referencias
- ↑ a b c d Yu W, Zheng H, Price JL, Hardin PE (marzo de 2009). "DOUBLETIME juega un papel no catalítico para mediar en la fosforilación de CLOCK y reprime la transcripción dependiente de CLOCK dentro del reloj circadiano de Drosophila" . Mol. Célula. Biol . 29 (6): 1452–8. doi : 10.1128 / MCB.01777-08 . PMC 2648245 . PMID 19139270 .
- ^ Fan JY, Preuss F, Muskus MJ, Bjes ES, Price JL (enero de 2009). "Drosophila y la caseína quinasa de vertebrados Idelta exhibe conservación evolutiva de la función circadiana" . Genética . 181 (1): 139–52. doi : 10.1534 / genetics.108.094805 . PMC 2621163 . PMID 18957703 .
- ^ a b c d e "Michael W. Young" . Científicos e investigación . La Universidad Rockefeller.
- ^ a b c d e f g h yo Price JL, Blau J, Rothenfluh A, Abodeely M, Kloss B, Young MW (julio de 1998). "El tiempo doble es un nuevo gen del reloj de Drosophila que regula la acumulación de proteínas PERIODO" . Celular . 94 (1): 83–95. doi : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81224-6 . PMID 9674430 .
- ^ a b c d e f Brody T. "Discs Overgrown: Regulación" . La mosca interactiva.
- ^ a b c d Muskus MJ, Preuss F, Fan JY, Bjes ES, Price JL (diciembre de 2007). "Drosophila DBT que carece de actividad de proteína quinasa produce ritmos de comportamiento y moleculares circadianos arrítmicos y de largo período" . Mol. Célula. Biol . 27 (23): 8049–64. doi : 10.1128 / MCB.00680-07 . PMC 2169192 . PMID 17893330 .
- ^ a b c d e f Syed S, Saez L, Young MW (agosto de 2011). "Cinética de la degradación dependiente de la quinasa de doble tiempo de la proteína del período de Drosophila" . J. Biol. Chem . 286 (31): 27654–62. doi : 10.1074 / jbc.M111.243618 . PMC 3149356 . PMID 21659538 .
- ^ a b c Kloss B, Rothenfluh A, Young MW, Saez L (junio de 2001). "La fosforilación del período está influenciada por asociaciones físicas cíclicas de tiempo doble, período y atemporal en el reloj de Drosophila" (PDF) . Neurona . 30 (3): 699–706. doi : 10.1016 / s0896-6273 (01) 00320-8 . PMID 11430804 . Archivado desde el original (PDF) el 12 de mayo de 2014.
- ^ Goode J, Chadwick D (2003). Relojes moleculares y señalización luminosa . Nueva York: Wiley. págs. 269 –270. ISBN 978-0-470-09082-4.
- ^ Chiu JC, Ko HW, Edery I (abril de 2011). "NEMO / NLK fosforila el PERIODO para iniciar un circuito de fosforilación de retardo de tiempo que establece la velocidad del reloj circadiano" . Celular . 145 (3): 357–70. doi : 10.1016 / j.cell.2011.04.002 . PMC 3092788 . PMID 21514639 .
- ^ Fang Y, Sathyanarayanan S, Sehgal A (junio de 2007). "La regulación postraduccional del reloj circadiano de Drosophila requiere proteína fosfatasa 1 (PP1)" . Genes Dev . 21 (12): 1506-18. doi : 10.1101 / gad.1541607 . PMC 1891428 . PMID 17575052 .
- ^ Rosenwasser AM (julio de 2010). "Genes del reloj circadiano: roles no circadianos en el sueño, la adicción y los trastornos psiquiátricos?". Neurosci Biobehav Rev . 34 (8): 1249–55. doi : 10.1016 / j.neubiorev.2010.03.004 . PMID 20307570 .
- ^ "Gene Dmel \ dco" . FlyBase.
- ^ Qin X, Byrne M, Xu Y, Mori T, Johnson CH (2010). "Acoplamiento de un marcapasos postraduccional central a un bucle de retroalimentación de transcripción / traducción esclavo en un sistema circadiano" . PLoS Biol . 8 (6): e1000394. doi : 10.1371 / journal.pbio.1000394 . PMC 2885980 . PMID 20563306 .
- ^ Preuss F, Fan JY, Kalive M, Bao S, Schuenemann E, Bjes ES, Price JL (enero de 2004). "Las mutaciones de doble tiempo de Drosophila que acortan o alargan el período de los ritmos circadianos disminuyen la actividad de la proteína quinasa de la caseína quinasa I" . Mol. Célula. Biol . 24 (2): 886–98. doi : 10.1128 / MCB.24.2.886-898.2004 . PMC 343813 . PMID 14701759 .
- ^ a b c d e f g h Eide EJ, Virshup DM (mayo de 2001). "Caseína quinasa I: otro engranaje en el mecanismo de relojería circadiano". Chronobiol. Int . 18 (3): 389–98. doi : 10.1081 / CBI-100103963 . PMID 11475410 .
- ^ Vanselow K, Kramer A (2007). "Papel de la fosforilación en el reloj circadiano de mamíferos" . Arb de resorte frío. Symp. Quant. Biol . 72 : 167–76. doi : 10.1101 / sqb.2007.72.036 . PMID 18419274 .
- ^ a b c Virshup DM, Eide EJ, Forger DB, Gallego M, Harnish EV (2007). "La fosforilación de proteínas reversible regula los ritmos circadianos" . Arb de resorte frío. Symp. Quant. Biol . 72 : 413-20. doi : 10.1101 / sqb.2007.72.048 . PMID 18419299 .
- ^ Sekine T, Yamaguchi T, Hamano K, Young MW, Shimoda M, Saez L (febrero de 2008). "La caseína quinasa I épsilon no rescata la función de doble tiempo en Drosophila a pesar de las funciones conservadas evolutivamente en el reloj circadiano". J. Biol. Ritmos . 23 (1): 3–15. doi : 10.1177 / 0748730407311652 . PMID 18258753 .
- ^ Lowrey PL, Shimomura K, Antoch MP, Yamazaki S, Zemenides PD, Ralph MR, Menaker M, Takahashi JS (abril de 2000). "Clonación sinténica posicional y caracterización funcional de la mutación circadiana de mamíferos tau" . Ciencia . 288 (5465): 483–92. Código Bibliográfico : 2000Sci ... 288..483L . doi : 10.1126 / science.288.5465.483 . PMC 3869379 . PMID 10775102 .
- ^ Nawathean P, Stoleru D, Rosbash M (julio de 2007). "Un pequeño dominio conservado del PERIODO de Drosophila es importante para la fosforilación circadiana, la localización nuclear y la actividad represora de la transcripción" . Mol. Célula. Biol . 27 (13): 5002-13. doi : 10.1128 / MCB.02338-06 . PMC 1951469 . PMID 17452453 .
- ^ Nakajima M, Imai K, Ito H, Nishiwaki T, Murayama Y, Iwasaki H, Oyama T, Kondo T (abril de 2005). "Reconstitución de la oscilación circadiana de la fosforilación de KaiC cianobacteriana in vitro". Ciencia . 308 (5720): 414–5. Código Bibliográfico : 2005Sci ... 308..414N . doi : 10.1126 / science.1108451 . PMID 15831759 .
enlaces externos
- Brody TB. "Gen: discos demasiado crecidos" . Mosca interactiva, Drosophila . La Sociedad de Biología del Desarrollo.