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在鼠中,已经发现的有3种PER蛋白参与了时钟的循环。所有的鼠的PER蛋白都与果蝇的PER在序列上都具有较高的同源性,但是,它们没有明显的DNA结合域,这和果蝇的PER是不同的。在自主时间开始的时候,mPer1的表达正在开始上升,(在鼠的研究中发现,在 SCN的神经细胞中的时间状态通常提前于身体其它部位的细胞,可能是由于SCN对于全身细胞时钟上的中枢调节作用所导致的,所以时间的进程的研究以SCN细胞为主)。mPer1的表达是由异源二聚体CLOCK/BMAL所激活的。 CLOCK是最早被发现的哺乳动物的时钟基因,它在结构上与WC1,CYC具有很大相似性。CLOCK/BMAL也拥有PAS域,并也通过bHGH域作用于mPer1的E-BOX而发挥作用,它的缺失会导致时钟变化的停止。不过,CLOCK和BMAL被发现在整个时钟周期内都在持续表达,其浓度只有小幅的变化。在mPer1的RNA水平开始上升后不久,mper2。mper3亦开始上升,它们到达峰值的时间各不相同,mper1的表达在CT4-6达到顶峰, mper2在CT8时达到顶峰,而mper3的顶峰出现在CT4-8之间。在鼠中也克隆到了tim基因,并不象三个不同的per那样,tim基因只有一个。在功能上,TIM蛋白的作用目前发现是与PER蛋白结合并协助PER进入核内[44]。但与果蝇的TIM不同的是,鼠的PER-PER之间的相互作用远强于PER-TIM[45],所以同源二聚的PER似乎才是调节时钟循环的主角。而除了协助PER入核之外,TIM的其它作用还没有被发现。由于有三种不同的PER,从进化的角度上看若TIM直接参与调控的话也应该有对应的三个TIM而不是只有一个,所以TIM可能也就只能发挥辅基的作用。TIM的量在整个时钟循环中也比较稳定,可能是由TIM的量来控制PER的入核速度,也可能TIM作为锚定蛋白来结合没有参与二聚的PER,由于PER/TIM的结合弱于PER/PER,被TIM结合的PER还可以与其它的PER结合而发挥作用,同时免于在单体时被降解。对于核心时钟元件功能上的了解和对于其它生物时钟运行机制的了解使鼠的时钟的运行可以被很容易的确定: 在时钟原点,PER含量极低,BMAL/CLOCK可以激活per的表达。表达出的PER被携带入核并二聚,在一段时间的积累后达到临界浓度并通过作用于BMAL/CLOCK而阻断了自身的转录。在per的表达下降的同时,PER也在磷酸化后不断降解,并最终几乎完全在核内被清除。在PER消失后,BMAL/CLOCK重新开始了下一个循环。
图9 小鼠时钟元件的变化周期
由于所有的时钟调控元件的峰值都出现在白天,所以在鼠中,光照对于时钟运行的影响作用可能是以类似于N中存在的光激活的方式进行的。 目前发现的小鼠能够感受光信号并影响生物钟运行的器官只有眼睛,眼睛可以通过谷氨酰氨途径调节生物钟的运行,这种调节非常迅速,在光信号产生2小时左右就能够造成行为上的改变。对SCN的细胞的研究发现,当接受到光信号后,per1在60分钟后会出现诱导表达的顶峰,per2的诱导表达则在90分钟时达到峰值,而per3的表达不受光照影响[46]。由于在SCN中发现光信号可以激活MAP信号途径并激活出若干个立早期响应基因[47],光的信号途径可能会比较复杂。虽然SCN决无可能直接接受到光照,但在SCN中仍然发现了响应蓝光信号的感受蛋白CRY1,2。cry基因的表达也是节律性变化,对cry2进行基因敲除实验发现这样会不但使per的光响应表达变弱,峰值出现的时间上也会推迟1小时[48]。然而,cry对于时钟的影响已经不象果蝇的CRY那么强烈了。哺乳动物基本恒定的体温使得环境温度的改变几乎无法影响到SCN,同样也无法影响生物钟的运行或作用非常微弱以致难以发现。
图10 小鼠的生物钟结构
对于哺乳动物生物钟结构上最令人关注的是,生物钟是如何来导致行为的改变的。在小鼠中发现的ccg是非常丰富的,几种时钟元件如PER,BMAL/CLOCK都可以各自激活它们的靶基因,而这些基因的产物还可以进一步激活其它的基因表达而放大时钟信号。D-box结合蛋白(DBP)就是这样的一例,DBP的表达在许多细胞中都是受时钟信号的调节而周期性变化,但对它进行突变不会导致时钟运行上的改变,表明它是时钟下游基因[49],但DBP量的变化可以引起具有D-box的许多其它基因,比如清蛋白在表达上的变化[50]。另外一个令人感兴趣的问题是SCN是如何调节全身细胞的生物钟的,SCN的这种调节作用似乎是通过内分泌由血液循环而作用到全身的,在培养的细胞系,Rat-1成纤维细胞中,发现其per2的表达会被外加的血清所影响[51]。虽然温度对SCN没有作用,但也有人认为SCN通过调节体温来影响全身细胞的生物钟。
总结
在对以上的生物钟的模型进行阐述的时候,我们发现,关于生物钟的结构上最主要的进展都是在近几年完成的,这主要是要归功于分子生物学的研究技术的不断进步。虽然目前对高等植物的生物钟的结构还没有明了,但已经发现了可能是核心时钟元件的基因lhy[52],相信相关的时钟元件会被陆续发现,其结构也会很快被阐明。对于先前的分子生物钟是如何在一个细胞内运行的问题,可以说目前已经回答得比较清楚了。
但是,在时钟信号的输出问题上,在以上列举的几个生物钟的结构中,都只有一些相对独立的调节作用被发现,对于具有组织和器官分化的生物,还并没有能够建立起完整的生物钟的信号输出路径图,而这,正是我们所最关心的部分。涉及到分化而带来的细胞的差异性使得这方面的研究非常的复杂,但是,可以预见,在这方面研究上的突破,必然使我们对整个细胞的信号通路的了解带来飞跃,我们期待着这样的一天。
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