Samenvatting: Onderzoekers die de moleculaire mechanismen van onze biologische klokken bestuderen, hebben een cruciale ontdekking gedaan door een sleutelinteractie te identificeren die de timing van de interne klok van ons lichaam regelt.
Deze ontdekking biedt belangrijke inzichten in het Familiaal Advanced Sleep Phase Syndrome (FASP), een aandoening die wordt veroorzaakt door een genetische mutatie die de interne klok van het lichaam versnelt, wat resulteert in een cyclus van 20 uur in plaats van 24 uur.
De mutatie verstoort de interactie tussen een sleutelklokeiwit, periode en een enzym, wat resulteert in een onbalans die leidt tot een verkorte klokcyclus. Deze ontdekking zou de weg kunnen effenen voor mogelijke behandelingen voor FASP en andere slaapstoornissen.
Basiselementen:
- De studie identificeerde de interactie tussen het Period-eiwit en een enzym (caseïnekinase 1) als een timingbepalende factor voor de interne biologische klok.
- De mutatie van het Familial Advanced Sleep Phase Syndrome (FASP) resulteert in een verkorte klokcyclus, waardoor individuen een cyclus van 20 uur volgen in plaats van de normale cyclus van 24 uur.
- De onderzoekers suggereren dat de nieuw ontdekte interactie een potentieel doelwit zou kunnen zijn voor therapeutische interventie, waardoor er mogelijkheden ontstaan voor de behandeling van niet alleen FASP maar ook andere slaapcyclusstoornissen.
Bron: UC Santa Cruz
De moleculaire klokken in onze cellen synchroniseren ons lichaam met de dag- en nachtcyclus, begeleiden ons bij het slapen en waken en sturen dagelijkse cycli aan in bijna elk aspect van onze fysiologie.
Wetenschappers die de moleculaire mechanismen van onze biologische klok bestuderen, hebben nu een sleutelgebeurtenis geïdentificeerd die de timing van de klok regelt.
De nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 18 mei in Moleculaire celonthullen belangrijke details van de verstoorde moleculaire interacties bij mensen met een erfelijke slaapstoornis genaamd Familial Advanced Sleep Phase Syndrome (FASP).
Het syndroom wordt veroorzaakt door een genetische mutatie die de timing van de klok verkort, waardoor mensen extreme ‘ochtendspitsen’ worden omdat hun interne klokken een cyclus van 20 uur volgen in plaats van te synchroniseren met de 24-uurs cyclus van onze planeet.
“Het is alsof je een permanente jetlag hebt, omdat hun interne klok nooit de lengte van de dag inhaalt”, zegt corresponderende auteur Carrie Partch, een professor in scheikunde en biochemie aan UC Santa Cruz.
“De FASP-mutatie werd 20 jaar geleden ontdekt en we wisten dat het een enorm effect had, maar we wisten niet hoe of waarom.”
De FASP-mutatie beïnvloedt een van de belangrijkste klokeiwitten, genaamd Periode, door een enkel aminozuur in de structuur van het eiwit te veranderen.
De nieuwe studie laat zien hoe deze verandering de interacties van het Periode-eiwit met een kinase-enzym (caseïnekinase 1) verstoort, waardoor de stabiliteit van het Periode-eiwit wordt verminderd en een belangrijke stap in de klokcyclus wordt verkort.
Eerste auteur Jonathan Philpott, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Partch bij UCSC, legde uit dat het kinase-enzym de periode reguleert door fosfaatgroepen aan te hechten (een proces dat fosforylering wordt genoemd), en er zijn twee verschillende delen van het eiwit waar het dit kan doen.
Fosforylering van het degron-domein markeert het periode-eiwit voor afbraak, terwijl fosforylering van het FASP-domein het stabiliseert.
De balans tussen degradatie en stabilisatie bepaalt de lengte van de klokcyclus, en de FASP-mutatie kantelt de balans in de richting van periodedegradatie en cyclusverkorting.
“Er is ongeveer vier uur verkorting van de klok als je deze FASP-mutatie hebt,” zei Philpott.
Een belangrijke bevinding van de nieuwe studie is dat het gefosforyleerde FASP-domein de kinase-activiteit remt. Dit feedback-remmingsmechanisme stelt Period in staat om zijn eigen regulator effectief te reguleren, de degron-domeinfosforylering te vertragen en de cyclus te verlengen.
“We hebben deze pauzeknop nodig om te vertragen wat anders een zeer snelle biochemie zou zijn, ” zei Partch.
De onderzoekers toonden aan dat de remming het gevolg is van binding van het gefosforyleerde FASP-domein aan een specifieke plaats op de kinase, die mogelijk het doelwit zou kunnen zijn van een medicijn.
“We kunnen dit gaan beschouwen als een gecoördineerd systeem,” zei Philpott. “We hebben regio’s in de kinase geïdentificeerd die mogelijk kunnen worden aangevallen om de activiteit ervan af te stemmen op therapeutische toepassingen.”
Partch merkte op dat de meeste geneesmiddelen die zich op kinasen richten, werken door de actieve plaats van het enzym te blokkeren.
“Dit is eigenlijk een hamer die de kinase-activiteit uitschakelt,” zei hij. “Maar door nieuwe zakken te ontdekken die uniek zijn voor deze kinase, kunnen we ons daarop richten om de activiteit ervan op een meer gecontroleerde manier te reguleren.”
Dit zou niet alleen mensen kunnen helpen met het Familiaal Advanced Sleep Phase Syndrome, maar ook mensen van wie de slaapcyclus wordt verstoord door ploegendienst, jetlag en andere uitdagingen van de moderne wereld.
Een andere opvallende bevinding in de nieuwe studie is dat feedbackremming van het kinase-enzym door het Period-eiwit ook voorkomt bij fruitvliegjes, ook al zijn de fosforyleringsplaatsen verschillend.
“Het blijkt dat de kleine cirkelmutant binnen is Drosophilaontdekt in 1970, doet hetzelfde als de korte cirkel FASP-mutatie bij mensen, “zei Partch.
“Dit mechanisme heeft waarschijnlijk bestaan tijdens de evolutie van meercellige dieren. Het feit dat het al zo lang op zijn plaats zit, suggereert dat het van fundamenteel belang is om biologische klokken op aarde een 24-uurs cyclus te laten hebben.”
Partch en Philpott zeiden dat hun samenwerking met verschillende laboratoria van andere instellingen hen in staat stelde verder te gaan dan hun experimentele observaties om de mechanismen van de klok vanuit verschillende invalshoeken te bestuderen.
De studie omvatte het gebruik van NMR-spectroscopie, moleculaire dynamische simulaties en genetisch gemanipuleerde menselijke cellijnen, evenals het karakteriseren van dezelfde moleculaire mechanismen bij mensen en Drosophila fruitvliegjes.
“Het was een geweldig team om mee samen te werken”, zei Partch.
Naast Philpott en Partch omvatten auteurs Alfred Freeberg, Sabrina Hunt, David Segal, Rafael Robles en Sarvind Tripathi van UC Santa Cruz. Jiyoung Park, Kwangjun Lee en Choogon Lee aan de Florida State University. Clarisse Ricci en Andrew McCammon bij UC San Diego. Rajesh Narasimamurthy en David Virshup aan de Duke-NUS School of Medicine in Singapore. en Yao Cai en Joanna Chiu bij UC Davis.
Financiering: Dit werk werd gefinancierd door de Amerikaanse National Institutes of Health en het Singaporese ministerie van Volksgezondheid.
Over dit circadiane ritme onderzoeksnieuws
Auteur: Tim Stephens
Bron: UC Santa Cruz
Contact: Tim Stephens – UC Santa Cruz
Afbeelding: Afbeelding gecrediteerd aan Neuroscience News
Originele onderzoek: Vrije toegang.
“PERIODE-fosforylering leidt tot retrograde remming van CK1-activiteit om de circadiane periode te beheersen” door Carrie Partch et al. Moleculaire cel
Abstract
PERIOD-fosforylering leidt tot feedbackremming van CK1-activiteit om de circadiane periode te beheersen
Betere tijden
- CK1δ fosforyleert het familiale geavanceerde slaapfase (FASP) domein van menselijke PER2
- FASP-fosforylering resulteert in feedbackremming van het kinase
- Substraatverankering verhoogt de fosforyleringskinetiek en productremming
- Zoogdier en Drosophila de klokken delen een geconserveerd feedback-remmingsmechanisme
Samenvatting
PERIODE (PER) en caseïnekinase 1d reguleren circadiane ritmes via een fosfoschakelaar die PER-stabiliteit en onderdrukkende activiteit in de moleculaire klok regelt. CK1δ-fosforylering van de serinecluster van de geavanceerde slaapfase (FASP)-familie ingebed in het caseïnekinasebindende domein 1 (CK1BD) van PER1/2 van zoogdieren remt de fosfodegon-activiteit om PER te stabiliseren en de circadiane periode te verlengen.
Hier laten we zien dat het gefosforyleerde FASP-domein (pFASP) van PER2 direct interageert met en remt CK1δ. Co-kristalstructuren gecombineerd met moleculaire dynamische simulaties laten zien hoe pFASP-fosfoserines zich hechten aan geconserveerde anionbindingsplaatsen nabij de CK1δ-actieve plaats. Het beperken van de fosforylering van het FASP-serinecomplex vermindert productremming, vermindert de PER2-stabiliteit en verkort de circadiane periode in menselijke cellen.
We hebben het gevonden Drosophila PER reguleert ook CK1δ door feedbackremming via het gefosforyleerde PER-Short-domein, wat een geconserveerd mechanisme onthult waarmee PER-fosforylering nabij CK1BD de CK1-kinase-activiteit reguleert.
