近日节律的调控机理与功能的系统生物学研究

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生物近日节律(circadian rhythm)作为广泛存在于自然界中的一种生物现象,拥有漫长的演化史,它是生命体适应外界昼夜交替能力的体现。外界昼夜交替变化影响着从低等原核生物到高等动物的一系列生命活动,包括微生物的增殖、植物的能量合成、动物的活动节律等。为了适应昼夜变化,生命体进化出了近日时钟这一特殊的生物学功能。近日时钟不仅调控着生物体的多种行为以及生理活动,也有利于维持各个组织器官高效稳定且有序的运转,但其具体的调控机理和功能很大程度上仍不清楚。研究表明,近日时钟调节生命活动的分子机制作用于基因表达的各个层级。为了研究近日时钟和近日节律的功能,本文一方面通过收集已发表文献中验证的节律基因数据,另一方面通过收集高通量数据计算出的节律基因数据,构建了一个涵盖多物种多参数的节律基因数据库(circadian gene database, CGDB),通过分析CGDB数据库,本文得知节律基因在不同物种中都富集于代谢通路,表明了调控代谢节律是近日时钟和近日节律的一种进化上相对保守的功能。
  近期的研究显示磷酸化节律广泛存在于许多蛋白质内,这可能是调控分子节律的关键方式,但其调控机制尚不清楚。通过整合果蝇头中转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组三个水平上的组学数据,本文开发出一种新的节律算法iCMod(integrating circadian multi-omics data)对多组学数据进行分析,从4686个磷酸化位点中鉴定出了789个节律振荡的磷酸化位点。以CGDB数据库进行辅助分析,本文预测出27个节律激酶,其中包括7个目前已知的调节果蝇节律的激酶。进而通过遗传学和行为学手段筛选剩余的激酶,又发现了7个新的能够明显影响活动节律的激酶:gasket、Downstreamofraf1、caseinkinaseI、basket、gilgamesh、hemipterous、Asator。通过分析这14个激酶之间的关联,本文发现它们形成一个网络直接或间接地调节转录、蛋白质和磷酸化的节律振荡。进一步研究发现,GASKET作为关键调节因子在这个网络中并调控核心近日时钟蛋白TIMELESS的稳定性。综上所述,本研究揭示了一个通过多层级的磷酸化修饰影响近日节律的分子振荡变化和活动节律的激酶组。
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