stringtranslate.com

Криптохром

Криптохромы (от греч. κρυπτός χρώμα, «скрытый цвет») — класс флавопротеинов, обнаруженных в растениях и животных , чувствительных к синему свету . Они участвуют в циркадных ритмах и восприятии магнитных полей у ряда видов. Название «криптохром» было предложено как гибрид, объединяющий хроматическую природу фоторецептора и криптогамные организмы , на которых проводились многие исследования синего света. [1] [2]

Гены CRY1 и CRY2 кодируют белки CRY1 и CRY2 соответственно. [3] Криптохромы подразделяются на растительные Cry и животные Cry. Криптохромы животных можно далее разделить на типы насекомых (тип I) и млекопитающих (тип II). CRY1 — это циркадный фоторецептор , тогда как CRY2 — это репрессор часов , который подавляет комплекс Clock/Cycle (Bmal1) у насекомых и позвоночных . [4] У растений фоторецепция синего света может использоваться для подачи сигналов развития. [5] Помимо хлорофиллов , криптохромы — единственные белки, которые, как известно, образуют фотоиндуцированные радикальные пары in vivo . [6] По-видимому, они позволяют некоторым животным обнаруживать магнитные поля.

Криптохромы были в центре внимания нескольких текущих усилий в оптогенетике . Используя трансфекцию , первоначальные исследования на дрожжах извлекли выгоду из потенциала гетеродимеризации CRY2 для управления клеточными процессами, включая экспрессию генов , с помощью света.

Открытие

Хотя Чарльз Дарвин впервые задокументировал реакцию растений на синий свет в 1880-х годах, только в 1980-х годах начались исследования по выявлению ответственного пигмента. [7] В 1980 году исследователи обнаружили, что ген HY4 растения Arabidopsis thaliana необходим для чувствительности растения к синему свету, и, когда ген был секвенирован в 1993 году, он показал высокую гомологию последовательности с фотолиазой , белком репарации ДНК, активируемым синим светом. [8] Анализ референтной последовательности изоформы d криптохрома-1 показывает два консервативных домена с белками фотолиазы. Нуклеотидные позиции изоформы d с 6 по 491 показывают консервативный домен с дезоксирибодипиримидиновой фотолиазой , а позиции с 288 по 486 показывают консервативный домен с доменом связывания FAD ДНК-фотолиазы. [9] Сравнительный геномный анализ подтверждает, что белки фотолиазы являются предками криптохромов. Однако к 1995 году стало ясно, что продукты гена HY4 и его двух человеческих гомологов не проявляют фотолиазной активности и вместо этого представляют собой новый класс фоторецепторов синего света , предположительно являющихся циркадными фотопигментами . [10] В 1996 и 1998 годах гомологи Cry были идентифицированы у дрозофилы и мышей , соответственно. [11] [12]

Эволюционная история

Криптохромы (CRY1, CRY2) — это эволюционно старые и высококонсервативные белки, которые принадлежат к суперсемейству флавопротеинов, существующему во всех царствах жизни. Криптохромы происходят от фотолиаз и тесно связаны с ними, которые являются бактериальными ферментами , активируемыми светом и участвующими в восстановлении повреждений ДНК, вызванных УФ-излучением .

У эукариот криптохромы больше не сохраняют эту изначальную ферментативную активность. Используя маркированную T-ДНК аллель гена cry1 в растении Arabidopsis , исследователи определили, что ген cry1 кодирует флавопротеин без фотолиазной активности и с уникальным C-концевым хвостом . [13] Белок, кодируемый этим геном, был назван криптохромом 1, чтобы отличить его от его предковых фотолиазных белков, и было обнаружено, что он участвует в фоторецепции синего света. Исследования мутантов Drosophila cry- нокаут привели к более позднему открытию, что криптохромные белки также участвуют в регуляции циркадных часов млекопитающих. Ген cry Drosophila аналогичным образом кодирует флавопротеин без фотолиазной активности, который также связывает хромофоры птерина . [13] Было обнаружено, что мутанты Cry ( cry b ) экспрессируют аритмичные уровни люциферазы, а также белков PER и TIM в фоторецепторных клетках. [13] Несмотря на аритмичность этих уровней белка, мутанты cry b все еще демонстрировали ритмичность в общем поведении, но не могли подстраиваться под короткие импульсы света, что привело исследователей к выводу, что дорсальные и вентральные латеральные нейроны (основные клетки водителя ритма дрозофилы ) все еще функционировали эффективно. [13] Однако , когда мутанты cry b также имели визуально не реагирующие сложные глаза, они не могли поведенчески подстраиваться под сигналы окружающей среды . [13] Эти результаты привели исследователей к выводу, что белок криптохрома, кодируемый cry , необходим для фотоувлечения дрозофилы . У млекопитающих был обнаружен белковый аналог белка криптохрома дрозофилы с характерным свойством отсутствия фотолиазной активности, что побудило исследователей рассматривать его в том же классе белков криптохрома. [13] У мышей наибольшая экспрессия cry1 наблюдается в супрахиазматическом ядре (SCN), где уровни ритмически колеблются. [13] Учитывая роль SCN как основного водителя ритма у млекопитающих, а также ритмические колебания экспрессии cry1 , исследователи пришли к выводу, что cry1 также необходим для синхронизации циркадных ритмов у млекопитающих.

Распространенное заблуждение в эволюционной истории криптохромных белков заключается в том, что белки млекопитающих и растений являются ортологами друг друга, которые эволюционировали непосредственно из общего гена фотолиазы. Однако геномный анализ показывает, что криптохромные белки млекопитающих и мух демонстрируют большее сходство последовательностей с белками фотолиазы (6-4), чем с растительными криптохромными белками. [13] Поэтому вполне вероятно, что растительные и животные криптохромные белки демонстрируют уникальный случай конвергентной эволюции , многократно развивая новые функции независимо друг от друга из одного общего предкового гена cry . [13]

Исследования Уортингтона и др. (2003) показывают, что криптохромы впервые появились у бактерий и были идентифицированы у Vibrio cholerae . [14] Секвенирование генома этой бактерии идентифицировало три гена в семействе фотолиаз/криптохромов, все из которых имеют фолатные и флавиновые кофакторы, характерные для этих белков. [14] Из этих генов один кодирует фотолиазу, в то время как два других кодируют криптохромные белки, обозначенные VcCry1 и VcCry2. [14] Кэшмор А.Р. и др. (1999) выдвигают гипотезу, что криптохромы млекопитающих развились позже в эволюционной истории вскоре после того, как растения и животные разошлись на основе консервативных геномных доменов между криптохромами животных и белком фотолиазы Arabidopsis (6-4). [13] Основываясь на роли криптохромов в управлении циркадными ритмами млекопитающих, современные исследователи выдвигают гипотезу, что они развивались одновременно с коэволюцией белков PER, TIM, CLOCK и CYCLE , но в настоящее время недостаточно доказательств для определения точного времени и механизма эволюции. [13]

Структура

Все члены суперсемейства флавопротеинов обладают характеристиками домена гомологии N-концевой фотолиазы (PHR). Домен PHR может связываться с кофактором флавинадениндинуклеотида (FAD) и светособирающим хромофором . [15] Структура криптохрома включает в себя складку, очень похожую на структуру фотолиазы, организованную в виде ортогонального пучка с одной молекулой FAD, нековалентно связанной с белком. [15] Эти белки имеют переменную длину и поверхность на C-конце из-за изменений в геноме и внешнем виде, которые являются результатом отсутствия ферментов репарации ДНК . [15] График Рамачандрана показывает, что вторичная структура белка CRY1 в первую очередь представляет собой правую альфа-спираль с небольшим или отсутствующим стерическим перекрытием. Структура CRY1 почти полностью состоит из альфа-спиралей с несколькими петлями и несколькими бета-слоями . [15]

Функция

Фототропизм

У растений криптохромы опосредуют фототропизм , или направленный рост к источнику света, в ответ на синий свет. Теперь известно, что этот ответ имеет свой собственный набор фоторецепторов, фототропинов .

В отличие от фитохромов и фототропинов, криптохромы не являются киназами . Их флавиновый хромофор восстанавливается под действием света и переносится в ядро ​​клетки , где он влияет на тургорное давление и вызывает последующее удлинение стебля. Если говорить конкретно, Cry2 отвечает за расширение семядолей и листьев, опосредованное синим светом. Сверхэкспрессия Cry2 в трансгенных растениях увеличивает стимулируемое синим светом расширение семядолей, что приводит к появлению множества широких листьев и отсутствию цветов, а не нескольких первичных листьев с цветком. [16] Двойная мутация потери функции в генах Arabidopsis thaliana Early Flowering 3 (elf3) и Cry2 задерживает цветение при постоянном освещении и, как было показано, ускоряет его в течение длинных и коротких дней, что позволяет предположить, что CRY2 Arabidopsis может играть роль в ускорении времени цветения при постоянном освещении. [17]

Фотоморфогенез

Рецепторы криптохромов заставляют растения реагировать на синий свет посредством фотоморфогенеза . Они помогают контролировать развитие семян и рассады, а также переход от вегетативной стадии развития к цветению.

У Arabidopsis CRY1 является основным ингибитором удлинения гипокотиля, но CRY2 подавляет удлинение гипокотиля при низкой интенсивности синего света. CRY2 способствует цветению в условиях длинного дня. [18]

Ген CRY опосредует фотоморфогенез несколькими способами. C-конец CRY взаимодействует с CONTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), убиквитинлигазой E3, которая подавляет фотоморфогенез и время цветения. Взаимодействие подавляет активность COP1 и позволяет накапливаться транскрипционным факторам, таким как ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5). [19] HY5 является основным фактором лейциновой молнии (bZIP), который способствует фотоморфогенезу путем связывания с генами, чувствительными к свету. CRY взаимодействует с β-субъединицей G-белка AGB1, где HY5 диссоциирует от AGB1 и активируется. CRY взаимодействует с PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 4 (PIF4) и PIF5, репрессорами фотоморфогенеза и промотором удлинения гипокотиля, для подавления транскрипционной активности PIF4 и PIF5. Наконец, CRY может ингибировать передачу сигналов ауксина и брассиностероидов (BR), способствуя фотоморфогенезу. [18]

Захват света

Несмотря на многочисленные исследования по этой теме, фоторецепция и фототрансдукция криптохрома у Drosophila и Arabidopsis thaliana до сих пор плохо изучены. Известно, что криптохромы обладают двумя хромофорами: птерином (в форме 5,10-метенилтетрагидрофолиевой кислоты (МТГФ)) и флавином (в форме ФАД). [20] Оба могут поглощать фотон , а у Arabidopsis птерин, по-видимому, поглощает на длине волны 380 нм, а флавин на 450 нм. Прошлые исследования подтвердили модель, по которой энергия, захваченная птерином, передается флавину. [21] Согласно этой модели фототрансдукции, ФАД затем восстанавливается до ФАДН, который, вероятно, опосредует фосфорилирование определенного домена в криптохроме. Это может затем запустить цепь передачи сигнала , возможно, влияя на регуляцию генов в ядре клетки .

Новая гипотеза [22] предполагает, что молекулы-партнеры воспринимают преобразование светового сигнала в химический сигнал в растительных криптохромах, что может быть вызвано фотоиндуцированным отрицательным зарядом на кофакторе FAD или на соседней аспарагиновой кислоте [23] [24] внутри белка. Этот отрицательный заряд будет электростатически отталкивать связанную с белком молекулу АТФ и, таким образом, также С-концевой домен белка, который покрывает карман связывания АТФ до поглощения фотона. Результирующее изменение конформации белка может привести к фосфорилированию ранее недоступных участков фосфорилирования на С-конце, и данный фосфорилированный сегмент может затем высвободить фактор транскрипции HY5, конкурируя за тот же участок связывания на отрицательном регуляторе фотоморфогенеза COP1 .

Другой механизм может функционировать в Drosophila . Истинное основное состояние кофактора флавина в CRY Drosophila все еще обсуждается, при этом некоторые модели указывают на то, что FAD находится в окисленной форме, [25] в то время как другие поддерживают модель, в которой кофактор флавина существует в форме аниона- радикала , FAD−
•. Недавно исследователи заметили, что окисленный ФАД легко восстанавливается до ФАД−
• светом. Более того, мутации, которые блокировали фоторедукцию, не влияли на деградацию CRY под действием света, в то время как мутации, которые изменяли стабильность FAD−
• разрушенная функция фоторецептора CRY. [26] [27] Эти наблюдения подтверждают основное состояние FAD−
•. Исследователи также недавно предложили модель, в которой FAD−
возбуждается до своего дублетного или квартетного состояния путем поглощения фотона, что затем приводит к конформационному изменению в белке CRY. [28]

Также кольцевые глаза личинки губки Amphimedon queenslandica экспрессируют чувствительный к синему свету криптохром (Aq-Cry2), который может опосредовать фототаксис. Напротив, глаза большинства животных используют светочувствительные опсины, экспрессируемые в фоторецепторных клетках, которые передают информацию о свете из окружающей среды в нервную систему. Однако у A. queenslandica отсутствует нервная система, как и у других губок . И у нее также нет гена опсина в ее полностью секвенированном геноме , несмотря на наличие множества других рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR). Следовательно, уникальные глаза губки должны были развить другой механизм для обнаружения света и опосредования фототаксиса, возможно, с помощью криптохромов или других белков. [29]

Функция радужной оболочки глаза

Изолированные радужки сужаются в ответ на свет через фотомеханическую трансдукцию (PMTR) у различных видов и требуют либо меланопсина , либо криптохрома для этого. [30] Радужка куриных эмбрионов воспринимает коротковолновый свет через криптохром, а не опсины. [31] Исследования Маргиотты и Говарда (2020) показывают, что PMTR поперечно-полосатой мышцы радужки цыпленка происходит при активации гена CRY синим светом 430 нм. [30] PMTR был ингибирован при нокаутах гена CRY и снижен при ингибировании флавинредуктазы, но оставался нетронутым при добавлении антагонистов меланопсина. [30] Аналогичным образом, цитозольные белки CRY1 и CRY2 были обнаружены в миотрубочках радужки , и снижение транскрипции этих генов ингибировало PMTR. [30] Таким образом, наибольшие PMTR радужки соответствуют развитию поперечно-полосатых, а не гладких мышечных волокон через CRY -опосредованные PMTR. [30]

Циркадный ритм

Исследования животных и растений показывают, что криптохромы играют ключевую роль в генерации и поддержании циркадных ритмов. [32] Аналогично, криптохромы играют важную роль в поддержании циркадных ритмов у растений. [33] У дрозофилы криптохром (dCRY) действует как фоторецептор синего света, который напрямую модулирует световой поток в циркадных часах, [34] в то время как у млекопитающих криптохромы (CRY1 и CRY2) действуют как репрессоры транскрипции в циркадных часах. [35] Некоторые насекомые, включая бабочку-монарха , имеют как млекопитающую, так и подобную дрозофиле версию криптохрома, что свидетельствует о наличии механизма предковых часов, включающего как светочувствительность, так и транскрипционную репрессивную роль для криптохрома. [36] [37]

Мутанты Cry имеют измененные циркадные ритмы, показывая, что Cry влияет на циркадный пейсмекер. Дрозофила с мутировавшим Cry демонстрирует мало или совсем не демонстрирует цикличность мРНК. [38] Точечная мутация в cry b , которая необходима для ассоциации флавина в белке CRY, приводит к отсутствию цикличности белков PER или TIM как в DD, так и в LD. [39] Кроме того, мыши, у которых отсутствуют гены Cry1 или Cry2, демонстрируют дифференциально измененные периоды свободного бега, но все еще способны к фотоэнтрибуции. Однако мыши, у которых отсутствуют как Cry1, так и Cry2, аритмичны как в LD, так и в DD и всегда имеют высокие уровни мРНК Per1 . Эти результаты свидетельствуют о том, что криптохромы играют фоторецепторную роль, а также действуют как отрицательные регуляторы экспрессии гена Per у мышей. [40]

ВДрозофила

У Drosophila криптохром кодируется только одним геном Cry (d Cry) и функционирует как фоторецептор синего света. Воздействие синего света вызывает конформацию, похожую на конформацию всегда активного мутанта CRY с делецией C-конца (CRYΔ). [28] Период полураспада этой конформации составляет 15 минут в темноте и облегчает связывание CRY с другими продуктами часового гена, PER и TIM , в зависимости от света. [41] [28] [34] [42] После связывания с dCRY dTIM подвергается деградации системой убиквитин- протеасома . [28] [42]

Хотя световые импульсы не вовлекаются, полные фотопериодические циклы LD все еще могут управлять цикличностью в вентрально - латеральных нейронах в мозге дрозофилы . Эти данные наряду с другими результатами предполагают, что CRY является клеточно-автономным фоторецептором для биологических часов у дрозофилы и может играть роль в непараметрическом вовлекании (вовлекании короткими дискретными световыми импульсами). Однако боковые нейроны получают световую информацию как через путь синего света CRY, так и через путь родопсина . Таким образом, CRY участвует в восприятии света и является входом в циркадные часы, однако это не единственный вход для световой информации, поскольку был показан устойчивый ритм при отсутствии пути CRY, в котором, как полагают, родопсиновый путь обеспечивает некоторый вход света. [43] Недавно также было показано, что существует CRY-опосредованная световая реакция, которая независима от классического циркадного взаимодействия CRY-TIM. Этот механизм, как полагают, требует механизма на основе флавинового редокса , который зависит от проводимости калиевого канала. Было показано, что этот CRY-опосредованный световой ответ увеличивает потенциал действия в течение нескольких секунд светового ответа у Drosophila с нокаутированным опсином . [44]

Криптохром, как и многие гены, участвующие в циркадном ритме, демонстрирует циркадную цикличность в уровнях мРНК и белка. У Drosophila концентрации мРНК Cry циклически изменяются в соответствии с циклом свет-темнота (LD), с высокими уровнями на свету и низкими уровнями в темноте. [ 38] Эта цикличность сохраняется в постоянной темноте (DD), но с уменьшенной амплитудой. [38] Транскрипция гена Cry также циклично имеет схожую тенденцию. [38] Однако уровни белка CRY циклически изменяются иным образом, чем транскрипция и уровни мРНК Cry . В LD белок CRY имеет низкие уровни на свету и высокие уровни в темноте, а в DD уровни CRY непрерывно увеличиваются в течение субъективного дня и ночи. [38] Таким образом, экспрессия CRY регулируется часами на транскрипционном уровне и светом на трансляционном и посттрансляционном уровнях. [38]

Сверхэкспрессия Cry также влияет на циркадные световые реакции. У Drosophila сверхэкспрессия Cry увеличивает чувствительность мух к свету низкой интенсивности. [38] Эта световая регуляция уровней белка CRY предполагает, что CRY играет циркадную роль выше других часовых генов и компонентов. [38]

У млекопитающих

У млекопитающих белки криптохрома кодируются двумя генами: Cry1 и Cry2.

Cry2

Криптохром — одна из четырех групп генов/белков часов млекопитающих, которые генерируют петлю отрицательной обратной связи транскрипции-трансляции (TTFL), наряду с Period (PER) , CLOCK и BMAL1 . [45] В этой петле белки CLOCK и BMAL1 являются активаторами транскрипции , которые вместе связываются с промоторами генов Cry2 и Per и активируют их транскрипцию. [45] Затем белки CRY2 и PER связываются друг с другом, проникают в ядро ​​и ингибируют транскрипцию, активируемую CLOCK-BMAL1. [45] Таким образом, общая функция CRY2 заключается в подавлении транскрипции CLOCK и BMAL1.

Кри1

Cry1 кодирует белок CRY1, который является циркадным фоторецептором млекопитающих. У мышей экспрессия Cry1 отображает циркадные ритмы в супрахиазматическом ядре , области мозга, участвующей в генерации циркадных ритмов, с уровнями мРНК, достигающими пика во время световой фазы и достигающими минимума в темноте. [46] Эти ежедневные колебания экспрессии поддерживаются в постоянной темноте. [46]

В то время как CRY1 был хорошо известен как гомолог TIM у млекопитающих, роль CRY1 как фоторецептора у млекопитающих была спорной. Ранние статьи указывали, что CRY1 имеет как светонезависимые, так и светозависимые функции. Исследование, проведенное Selby CP et al. (2000), показало, что мыши без родопсина, но с криптохромом, все еще реагируют на свет; однако у мышей без родопсина или криптохрома транскрипция c-Fos , медиатора светочувствительности, значительно снижается. [47] В последние годы данные подтвердили, что меланопсин является основным циркадным фоторецептором, в частности, меланопсиновые клетки, которые опосредуют вовлечение и связь между глазом и супрахиазматическим ядром (SCN). [48] Одной из главных трудностей в подтверждении или отрицании CRY как фоторецептора млекопитающих является то, что при отключении гена у животного возникает аритмия, поэтому трудно измерить его способность как чисто фоторецептора. Однако некоторые недавние исследования показывают, что человеческий CRY1 может опосредовать реакцию на свет в периферических тканях. [49]

Нормальный циркадный ритм млекопитающих критически зависит от задержанной экспрессии Cry1 после активации промотора Cry1 . В то время как ритмы в активации промотора Per2 и уровнях мРНК Per2 имеют почти одинаковую фазу, продукция мРНК Cry1 задерживается примерно на четыре часа относительно активации промотора Cry1 . [50] Эта задержка не зависит от уровней CRY1 или CRY2 и опосредована комбинацией элементов E/E'-box и D-box в промоторе и связывающих элементов RevErbA / ROR (RRE) в первом интроне гена. [51] Трансфекция аритмичных клеток с двойным нокаутом Cry1 −/− Cry2 −/− только промотором Cry1 (вызывающим конститутивную экспрессию Cry1 ) недостаточна для восстановления ритмичности. Трансфекция этих клеток как промотором, так и первым интроном необходима для восстановления циркадных ритмов в этих клетках. [51]

Существуют доказательства того, что CRY1 может играть роль в том, как схемы сна и бодрствования могут наследоваться в семьях. Существует мутация CRY1Δ11, которая вызывает задержку циркадного ритма. [52]   CRY1Δ11 — это вариант сплайсинга, который удалил аутоингибиторный участок гена. [52] Он вызывает задержку, увеличивая сродство CLOCK и BMAL , что, в свою очередь, удлиняет период. [52] Это приводит к тому, что у людей с этой мутацией середина сна наступает позже, чем у остальной части населения, вызывая расстройство, известное как расстройство задержки фазы сна и бодрствования . [52]

CRY1 также является ключевым модулятором в репарации ДНК , в частности, посредством временной регуляции. [53] CRY1 оказывает влияние на прогрессию клеточного цикла, особенно в контрольной точке G2/M, а истощение CRY1 приводит к эффектам на сети репарации ДНК, включая репарацию несоответствий, УФ-излучение и иссечение нуклеотидов. [53] При раке CRY1 стабилизируется повреждением ДНК, что приводит к тому, что экспрессия CRY1 ассоциируется с худшими результатами при раке предстательной железы . [53] Из-за его роли в репарации ДНК и протуморогенности дальнейшие исследования могут использовать CRY1 в качестве терапевтической мишени .

Варианты CRY1 могут оказывать влияние на людей в плане метаболического выхода. Согласно исследованию 2021 года, метаболические выходы, измеренные по испражнениям , сильно отличались у участников, которые были диким типом , по сравнению с участниками с вариантом CRY1Δ11. [52] Участники с вариантом имели задержанный цикл сна и задержанный метаболический выход по сравнению с диким типом. [52]

Магниторецепция

Механизм радикальной пары был предложен для квантовой магниторецепции у птиц. [54]

Магниторецепция — это чувство, которое позволяет организму обнаруживать магнитное поле для восприятия направления, высоты или местоположения. Экспериментальные данные показывают, что криптохромы в фоторецепторных нейронах глаз птиц участвуют в магнитной ориентации во время миграции . [55] Также считается, что криптохромы необходимы для светозависимой способности Drosophila ощущать магнитные поля . [56] Когда-то сообщалось, что магнитные поля влияют на криптохромы также в растениях Arabidopsis thaliana : поведение роста, по-видимому, подвергалось влиянию магнитных полей в присутствии синего (но не красного) света. [57] Тем не менее, эти результаты позже оказались невоспроизводимыми в строго контролируемых условиях в другой лаборатории, [58] что позволяет предположить, что криптохромы растений не реагируют на магнитные поля.

Криптохром образует пару радикалов с коррелированными спинами при воздействии синего света. [59] [60] Радикальные пары также могут быть получены путем светонезависимого темнового переокисления флавинового кофактора молекулярным кислородом через образование спин-коррелированных пар радикалов FADH-супероксид. [61] Предполагается, что магниторецепция функционирует через влияние окружающего магнитного поля на корреляцию (параллельную или антипараллельную) этих радикалов, что влияет на продолжительность жизни активированной формы криптохрома. Активация криптохрома может влиять на светочувствительность нейронов сетчатки , в результате чего животное может ощущать магнитное поле. [62] Криптохромы животных и близкородственные им фотолиазы животных (6-4) содержат более длинную цепочку триптофана, переносящего электроны, чем другие белки суперсемейства криптохром-фотолиаз (тетрада триптофана вместо триады). [63] [64] Более длинная цепь приводит к лучшему разделению и более чем в 1000 раз более длительному времени жизни фотоиндуцированных пар радикалов флавин-триптофан, чем в белках с триадой триптофана. [63] [64] Отсутствие спин-селективной рекомбинации этих пар радикалов в масштабах времени от наносекунды до микросекунды, по-видимому, несовместимо с предположением о том, что магниторецепция криптохромов основана на реакции прямого света.

Ссылки

  1. ^ Грессель Дж (1979). «Фоторецепция синего света». Фотохимия и фотобиология . 30 (6): 749–754. doi :10.1111/j.1751-1097.1979.tb07209.x. ISSN  1751-1097. S2CID  98643540.
  2. ^ Yang Z, Liu B, Su J, Liao J, Lin C, Oka Y (январь 2017 г.). «Криптохромы организуют регуляцию транскрипции различных реакций растений на синий свет». Фотохимия и фотобиология . 93 (1): 112–127. doi :10.1111/php.12663. PMC 6167254. PMID  27861972 . 
  3. ^ van der Spek PJ, Kobayashi K, Bootsma D, Takao M, Eker AP, Yasui A (октябрь 1996 г.). «Клонирование, тканевая экспрессия и картирование гомолога человеческой фотолиазы со сходством с растительными рецепторами синего света». Genomics . 37 (2): 177–182. doi :10.1006/geno.1996.0539. hdl : 1765/55742 . PMID  8921389.
  4. ^ Озтурк Н (январь 2017 г.). «Филогенетическая и функциональная классификация семейства фотолиаз/криптохромов». Фотохимия и фотобиология . 93 (1): 104–111. doi : 10.1111/php.12676 . PMID  27864885. S2CID  36494968.
  5. ^ PDB : 1u3c ​; Brautigam CA, Smith BS, Ma Z, Palnitkar M, Tomchick DR, Machius M, Deisenhofer J (август 2004 г.). «Структура фотолиазоподобного домена криптохрома 1 из Arabidopsis thaliana». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (33): 12142–12147. Bibcode :2004PNAS..10112142B. doi : 10.1073/pnas.0404851101 . PMC 514401 . PMID  15299148. 
  6. ^ Hore PJ, Mouritsen H (июль 2016 г.). «Радикально-парный механизм магниторецепции». Annual Review of Biophysics . 45 (1): 299–344. doi : 10.1146/annurev-biophys-032116-094545 . PMID  27216936. S2CID  7099782.
  7. ^ Дарвин Ч. (1881). Сила движения у растений. Нью-Йорк: D. Appleton and Company.
  8. ^ Ахмад М, Кэшмор АР (ноябрь 1993 г.). «Ген HY4 A. thaliana кодирует белок с характеристиками фоторецептора синего света». Nature . 366 (6451): 162–166. Bibcode :1993Natur.366..162A. doi :10.1038/366162a0. PMID  8232555. S2CID  4256360.
  9. ^ "CRY1 криптохром циркадный регулятор 1 [Homo sapiens (человек)] - Ген - NCBI". www.ncbi.nlm.nih.gov . Получено 2023-04-11 .
  10. ^ Томпсон CL, Санкар A (2004). «Криптохром: открытие циркадного фотопигмента». В Lenci F, Horspool WM (ред.). CRC справочник по органической фотохимии и фотобиологии . Бока-Ратон: CRC Press. стр. 1381–89. ISBN 978-0-8493-1348-6.
  11. ^ Todo T, Ryo H, Yamamoto K, Toh H, Inui T, Ayaki H и др. (апрель 1996 г.). «Сходство между фотолиазой Drosophila (6-4), гомологом человеческой фотолиазы, и семейством фоторецепторов ДНК-фотолиазы-синего света». Science . 272 ​​(5258): 109–112. Bibcode :1996Sci...272..109T. doi :10.1126/science.272.5258.109. PMID  8600518. S2CID  23151554.
  12. ^ Kobayashi K, Kanno S, Smit B, van der Horst GT, Takao M, Yasui A (ноябрь 1998 г.). «Характеристика гомологов фотолиазы/рецептора синего света в клетках мыши и человека». Nucleic Acids Research . 26 (22): 5086–5092. doi :10.1093/nar/26.22.5086. PMC 147960. PMID  9801304 . 
  13. ^ abcdefghijk Cashmore AR, Jarillo JA, Wu YJ, Liu D (апрель 1999). «Криптохромы: рецепторы синего света для растений и животных». Science . 284 (5415): 760–765. Bibcode :1999Sci...284..760C. doi :10.1126/science.284.5415.760. PMID  10221900.
  14. ^ abc Worthington EN, Kavakli IH, Berrocal-Tito G, Bondo BE, Sancar A (октябрь 2003 г.). «Очистка и характеристика трех членов семейства фотолиаз/криптохромов синих фоторецепторов из Vibrio cholerae». Журнал биологической химии . 278 (40): 39143–39154. doi : 10.1074/jbc.m305792200 . hdl : 11147/4670 . PMID  12878596.
  15. ^ abcd Zeng Z, Wei J, Liu Y, Zhang W, Mabe T (май 2018). «Магниторецепция фотоактивированного криптохрома 1 в электрохимии и переносе электронов». ACS Omega . 3 (5): 4752–4759. doi :10.1021/acsomega.8b00645. PMC 6641772 . PMID  31458694. 
  16. ^ Hsu DS, Zhao X, Zhao S, Kazantsev A, Wang RP, Todo T и др. (ноябрь 1996 г.). «Предполагаемые человеческие фоторецепторы синего света hCRY1 и hCRY2 являются флавопротеинами». Биохимия . 35 (44): 13871–13877. doi :10.1021/bi962209o. PMID  8909283.
  17. ^ Nefissi R, Natsui Y, Miyata K, Oda A, Hase Y, Nakagawa M и др. (май 2011 г.). «Двойная мутация потери функции в генах EARLY FLOWERING 3 и CRYPTOCHROME 2 задерживает цветение при постоянном освещении, но ускоряет его при длинных и коротких днях: важная роль Arabidopsis CRY2 в ускорении времени цветения при постоянном освещении». Journal of Experimental Botany . 62 (8): 2731–2744. doi : 10.1093/jxb/erq450 . PMID  21296763.
  18. ^ ab Zhong M, Zeng B, Tang D, Yang J, Qu L, Yan J, et al. (август 2021 г.). «Рецептор синего света CRY1 взаимодействует с белками GID1 и DELLA, подавляя сигнализацию GA во время фотоморфогенеза у Arabidopsis». Molecular Plant . 14 (8): 1328–1342. doi : 10.1016/j.molp.2021.05.011 . PMID  33971366. S2CID  234361952.
  19. ^ Mao Z, Wei X, Li L, Xu P, Zhang J, Wang W и др. (июль 2021 г.). «Криптохром 1 Arabidopsis контролирует фотоморфогенез посредством регуляции отложения H2A.Z». The Plant Cell . 33 (6): 1961–1979. doi :10.1093/plcell/koab091. PMC 8290288. PMID  33768238 . 
  20. ^ Song SH, Dick B, Penzkofer A, Pokorny R, Batschauer A, Essen LO (октябрь 2006 г.). «Абсорбционная и флуоресцентная спектроскопическая характеристика криптохрома 3 из Arabidopsis thaliana». Журнал фотохимии и фотобиологии. B, Биология . 85 (1): 1–16. Bibcode : 2006JPPB...85....1S. doi : 10.1016/j.jphotobiol.2006.03.007. PMID  16725342.
  21. ^ Hoang N, Bouly JP, Ahmad M (январь 2008 г.). «Доказательства светочувствительной роли фолата в криптохромных рецепторах синего света Arabidopsis». Molecular Plant . 1 (1): 68–74. doi : 10.1093/mp/ssm008 . PMID  20031915.
  22. ^ Müller P, Bouly JP (январь 2015 г.). «Поиск механизма сигнализации криптохромом фоторецепторов растений» (PDF) . FEBS Letters . 589 (2): 189–192. Bibcode :2015FEBSL.589..189M. doi :10.1016/j.febslet.2014.12.008. PMID  25500270. S2CID  207635307.
  23. ^ Müller P, Bouly JP, Hitomi K, Balland V, Getzoff ED, Ritz T, Brettel K (июнь 2014 г.). «Связывание АТФ превращает растительный криптохром в эффективный естественный фотопереключатель». Scientific Reports . 4 : 5175. Bibcode :2014NatSR...4E5175M. doi :10.1038/srep05175. PMC 4046262 . PMID  24898692. 
  24. ^ Cailliez F, Müller P, Gallois M, de la Lande A (сентябрь 2014 г.). «Связывание АТФ и протонирование аспартата усиливают фотоиндуцированный перенос электронов в растительном криптохроме». Журнал Американского химического общества . 136 (37): 12974–12986. doi :10.1021/ja506084f. PMID  25157750.
  25. ^ Berndt A, Kottke T, Breitkreuz H, Dvorsky R, Hennig S, Alexander M, Wolf E (апрель 2007 г.). «Новый механизм фотореакции для циркадного фоторецептора синего света Drosophila cryptochrome». Журнал биологической химии . 282 (17): 13011–13021. doi : 10.1074/jbc.M608872200 . PMID  17298948.
  26. ^ Song SH, Oztürk N, Denaro TR, Arat NO, Kao YT, Zhu H и др. (июнь 2007 г.). «Формирование и функция радикала флавинового аниона в криптохроме 1 фоторецепторе синего света бабочки-монарха». Журнал биологической химии . 282 (24): 17608–17612. doi : 10.1074/jbc.M702874200 . PMID  17459876.
  27. ^ Öztürk N, Song SH, Selby CP, Sancar A (февраль 2008 г.). «Криптохромы животных типа 1. Анализ окислительно-восстановительного состояния кофактора флавина с помощью направленного мутагенеза». Журнал биологической химии . 283 (6): 3256–3263. doi : 10.1074/jbc.M708612200 . PMID  18056988.
  28. ^ abcd Ozturk N, Selby CP, Annayev Y, Zhong D, Sancar A (январь 2011 г.). "Механизм реакции криптохрома Drosophila". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (2): 516–521. Bibcode :2011PNAS..108..516O. doi : 10.1073/pnas.1017093108 . PMC 3021015 . PMID  21187431. 
  29. ^ Rivera AS, Ozturk N, Fahey B, Plachetzki DC, Degnan BM, Sancar A, Oakley TH (апрель 2012 г.). «Криптохром, восприимчивый к синему свету, экспрессируется в губчатом глазу, лишенном нейронов и опсина». Журнал экспериментальной биологии . 215 (Pt 8): 1278–1286. doi :10.1242/jeb.067140. PMC 3309880. PMID  22442365 . 
  30. ^ abcde Margiotta JF, Howard MJ (2020). «Криптохромы опосредуют внутреннюю фотомеханическую трансдукцию в радужной оболочке глаза птиц и соматических поперечно-полосатых мышцах». Frontiers in Physiology . 11 : 128. doi : 10.3389/fphys.2020.00128 . PMC 7047837. PMID  32153427 . 
  31. ^ Tu DC, Batten ML, Palczewski K, Van Gelder RN (октябрь 2004 г.). «Невизуальная фоторецепция в радужной оболочке глаза цыпленка». Science . 306 (5693): 129–131. Bibcode :2004Sci...306..129T. doi :10.1126/science.1101484. PMID  15459395. S2CID  26821205.
  32. ^ Klarsfeld A, Malpel S, Michard-Vanhée C, Picot M, Chélot E, Rouyer F (февраль 2004 г.). «Новые особенности криптохром-опосредованной фоторецепции в циркадных часах мозга дрозофилы». The Journal of Neuroscience . 24 (6): 1468–1477. doi :10.1523/JNEUROSCI.3661-03.2004. PMC 6730330 . PMID  14960620. 
  33. ^ Somers DE, Devlin PF, Kay SA (ноябрь 1998 г.). «Фитохромы и криптохромы в управлении циркадными часами Arabidopsis». Science . 282 (5393): 1488–1490. doi :10.1126/science.282.5393.1488. PMID  9822379. S2CID  24882653.
  34. ^ ab Emery P, Stanewsky R, Helfrich-Förster C, Emery-Le M, Hall JC, Rosbash M (май 2000 г.). «CRY дрозофилы — глубокий мозговой циркадный фоторецептор». Neuron . 26 (2): 493–504. doi : 10.1016/S0896-6273(00)81181-2 . PMID  10839367. S2CID  15553260.
  35. ^ Reppert SM, Weaver DR (август 2002). «Координация циркадного ритма у млекопитающих». Nature . 418 (6901): 935–941. Bibcode :2002Natur.418..935R. doi :10.1038/nature00965. PMID  12198538. S2CID  4430366.
  36. ^ Zhu H, Sauman I, Yuan Q, Casselman A, Emery-Le M, Emery P, Reppert SM (январь 2008 г.). «Криптохромы определяют новый механизм циркадных часов у бабочек-монархов, который может лежать в основе навигации по солнечному компасу». PLOS Biology . 6 (1): e4. doi : 10.1371/journal.pbio.0060004 . PMC 2174970 . PMID  18184036. 
  37. ^ Zhu H, Yuan Q, Briscoe AD, Froy O, Casselman A, Reppert SM (декабрь 2005 г.). «Два CRY бабочки». Current Biology . 15 (23): R953–R954. Bibcode : 2005CBio...15.R953Z. doi : 10.1016/j.cub.2005.11.030 . PMID  16332522. S2CID  2130485.
  38. ^ abcdefgh Emery P, So WV, Kaneko M, Hall JC, Rosbash M (ноябрь 1998 г.). "CRY, часы Drosophila и регулируемый светом криптохром, вносит основной вклад в перенастройку циркадного ритма и светочувствительность". Cell . 95 (5): 669–679. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81637-2 . PMID  9845369. S2CID  15629055.
  39. ^ Stanewsky R, Kaneko M, Emery P, Beretta B, Wager-Smith K, Kay SA и др. (ноябрь 1998 г.). «Мутация cryb определяет криптохром как циркадный фоторецептор у дрозофилы». Cell . 95 (5): 681–692. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81638-4 . PMID  9845370. S2CID  6996815.
  40. ^ Vitaterna MH, Selby CP, Todo T, Niwa H, Thompson C, Fruechte EM и др. (октябрь 1999 г.). «Дифференциальная регуляция генов периода млекопитающих и циркадной ритмичности криптохромами 1 и 2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (21): 12114–12119. Bibcode : 1999PNAS...9612114V. doi : 10.1073 /pnas.96.21.12114 . PMC 18421. PMID  10518585. 
  41. ^ Griffin EA, Staknis D, Weitz CJ (октябрь 1999 г.). «Независимая от света роль CRY1 и CRY2 в циркадных часах млекопитающих». Science . 286 (5440): 768–771. doi :10.1126/science.286.5440.768. PMID  10531061.
  42. ^ ab Busza A, Emery-Le M, Rosbash M, Emery P (июнь 2004 г.). «Роли двух структурных доменов Drosophila CRYPTOCHROME в циркадной фоторецепции». Science . 304 (5676): 1503–1506. Bibcode :2004Sci...304.1503B. doi :10.1126/science.1096973. PMID  15178801. S2CID  18388605.
  43. ^ Данлэп Дж. К. (январь 1999 г.). «Молекулярные основы циркадных часов». Cell . 96 (2): 271–290. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80566-8 . PMID  9988221. S2CID  14991100.
  44. ^ Fogle KJ, Parson KG, Dahm NA, Holmes TC (март 2011 г.). «CRYPTOCHROME — это датчик синего света, который регулирует частоту нейронных импульсов». Science . 331 (6023): 1409–1413. Bibcode :2011Sci...331.1409F. doi :10.1126/science.1199702. PMC 4418525 . PMID  21385718. 
  45. ^ abc Sancar A, Lindsey-Boltz LA, Kang TH, Reardon JT, Lee JH, Ozturk N (июнь 2010 г.). «Циркадный контроль клеточного ответа на повреждение ДНК». FEBS Letters . 584 (12): 2618–2625. Bibcode : 2010FEBSL.584.2618S. doi : 10.1016/j.febslet.2010.03.017. PMC 2878924. PMID  20227409 . 
  46. ^ ab Miyamoto Y, Sancar A (май 1998). "Фоторецепторы синего света на основе витамина B2 в ретиногипоталамическом тракте как фотоактивные пигменты для установки циркадных часов у млекопитающих". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (11): 6097–6102. Bibcode : 1998PNAS...95.6097M. doi : 10.1073/pnas.95.11.6097 . PMC 27591. PMID  9600923 . 
  47. ^ Selby CP, Thompson C, Schmitz TM, Van Gelder RN, Sancar A (декабрь 2000 г.). «Функциональная избыточность криптохромов и классических фоторецепторов для невизуальной глазной фоторецепции у мышей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (26): 14697–14702. Bibcode : 2000PNAS...9714697S. doi : 10.1073/pnas.260498597 . PMC 18981. PMID  11114194 . 
  48. ^ Hattar S, Liao HW, Takao M, Berson DM, Yau KW (февраль 2002 г.). «Ганглионарные клетки сетчатки, содержащие меланопсин: архитектура, проекции и внутренняя фоточувствительность». Science . 295 (5557): 1065–1070. Bibcode :2002Sci...295.1065H. doi :10.1126/science.1069609. PMC 2885915 . PMID  11834834. 
  49. ^ Hoang N, Schleicher E, Kacprzak S, Bouly JP, Picot M, Wu W и др. (Июль 2008 г.). Schibler U (ред.). "Криптохромы человека и дрозофилы активируются светом путем фотовосстановления флавина в живых клетках". PLOS Biology . 6 (7): e160. doi : 10.1371/journal.pbio.0060160 . PMC 2443192 . PMID  18597555. 
  50. ^ Sato TK, Yamada RG, Ukai H, Baggs JE, Miraglia LJ, Kobayashi TJ и др. (март 2006 г.). «Подавление обратной связи необходимо для функционирования циркадных часов млекопитающих». Nature Genetics . 38 (3): 312–319. doi :10.1038/ng1745. PMC 1994933 . PMID  16474406. 
  51. ^ ab Ukai-Tadenuma M, Yamada RG, Xu H, Ripperger JA, Liu AC, Ueda HR (январь 2011 г.). «Задержка в репрессии обратной связи криптохромом 1 необходима для функционирования циркадных часов». Cell . 144 (2): 268–281. doi : 10.1016/j.cell.2010.12.019 . PMID  21236481. S2CID  8159963.
  52. ^ abcdef Smieszek SP, Brzezynski JL, Kaden AR, Shinn JA, Wang J, Xiao C и др. (октябрь 2021 г.). «Наблюдательное исследование варианта CRY1Δ11, связанного с задержкой сна-бодрствования и циркадным метаболическим выходом». Scientific Reports . 11 (1): 20103. Bibcode :2021NatSR..1120103S. doi :10.1038/s41598-021-99418-2. PMC 8505610 . PMID  34635699. 
  53. ^ abc Shafi AA, McNair CM, McCann JJ, Alshalalfa M, Shostak A, Severson TM и др. (январь 2021 г.). «Циркадный криптохром CRY1 — это протуморогенный фактор, который ритмично модулирует репарацию ДНК». Nature Communications . 12 (1): 401. Bibcode :2021NatCo..12..401S. doi :10.1038/s41467-020-20513-5. PMC 7810852 . PMID  33452241. S2CID  249811333. 
  54. ^ Хоре П.Дж. , Моуритсен Х. (апрель 2022 г.). «Квантовая природа миграции птиц». Scientific American : 24–29.
  55. ^ Heyers D, Manns M, Luksch H, Güntürkün O, Mouritsen H (сентябрь 2007 г.). Iwaniuk A (ред.). «Зрительный путь связывает структуры мозга, активные во время ориентации по магнитному компасу у перелетных птиц». PLOS ONE . ​​2 (9): e937. Bibcode :2007PLoSO...2..937H. doi : 10.1371/journal.pone.0000937 . PMC 1976598 . PMID  17895978. 
  56. ^ Gegear RJ, Casselman A, Waddell S, Reppert SM (август 2008 г.). «Криптохром опосредует светозависимую магниточувствительность у дрозофилы». Nature . 454 (7207): 1014–1018. Bibcode :2008Natur.454.1014G. doi :10.1038/nature07183. PMC 2559964 . PMID  18641630. 
  57. ^ Ahmad M, Galland P, Ritz T, Wiltschko R, Wiltschko W (февраль 2007 г.). «Магнитная интенсивность влияет на криптохром-зависимые ответы Arabidopsis thaliana». Planta . 225 (3): 615–624. Bibcode :2007Plant.225..615A. doi :10.1007/s00425-006-0383-0. PMID  16955271. S2CID  96263.
    * «Шестое чувство» растений. Centre national de la recherche scientifique (Пресс-релиз). 7 сентября 2006 г. Архивировано из оригинала 2011-07-16.
  58. ^ Harris SR, Henbest KB, Maeda K, Pannell JR, Timmel CR, Hore PJ, Okamoto H (декабрь 2009 г.). «Влияние магнитных полей на криптохром-зависимые ответы Arabidopsis thaliana». Журнал Королевского общества, Интерфейс . 6 (41): 1193–1205. doi :10.1098/rsif.2008.0519. PMC 2817153. PMID  19324677 . 
  59. ^ Rodgers CT, Hore PJ (январь 2009). «Химическая магниторецепция у птиц: механизм радикальной пары». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (2): 353–360. Bibcode :2009PNAS..106..353R. doi : 10.1073/pnas.0711968106 . PMC 2626707 . PMID  19129499. 
  60. ^ Biskup T, Schleicher E, Okafuji A, Link G, Hitomi K, Getzoff ED , Weber S (2009). «Прямое наблюдение фотоиндуцированной радикальной пары в криптохромном фоторецепторе синего света». Angewandte Chemie . 48 (2): 404–407. doi :10.1002/anie.200803102. PMC 4329312. PMID  19058271 . 
  61. ^ Мюллер П., Ахмад М. (июнь 2011 г.). «Активируемый светом криптохром реагирует с молекулярным кислородом, образуя радикальную пару флавин-супероксид, соответствующую магниторецепции». Журнал биологической химии . 286 (24): 21033–21040. doi : 10.1074/jbc.M111.228940 . PMC 3122164. PMID  21467031 . 
  62. ^ Чандлер Д., Илья Соловьев И., Шультен К. «Криптохром и магнитное зондирование». Институт передовых наук и технологий Бекмана, Иллинойсский университет в Урбане–Шампейне . Получено 14 апреля 2011 г.
  63. ^ ab Müller P, Yamamoto J, Martin R, Iwai S, Brettel K (ноябрь 2015 г.). «Открытие и функциональный анализ 4-го триптофана, переносящего электроны, сохраняющегося исключительно в криптохромах животных и (6-4) фотолиазах». Chemical Communications . 51 (85): 15502–15505. doi :10.1039/C5CC06276D. PMID  26355419.
  64. ^ ab Cailliez F, Müller P, Firmino T, Pernot P, de la Lande A (февраль 2016 г.). «Энергетика фотоиндуцированной миграции заряда в триптофановой тетраде фотолиазы животного (6-4)». Журнал Американского химического общества . 138 (6): 1904–1915. doi :10.1021/jacs.5b10938. PMID  26765169.

Внешние ссылки