文摘
隐花色素蛋白(克丽丝),共价结合代数余子式(发色团)黄素腺嘌呤二核苷酸(时尚),发生广泛的生物之一。克丽丝扮演不可或缺的角色在哺乳动物的昼夜节律的生成。转基因老鼠老鼠(Tg),无所不在地表达鼠标CRY1在突变中cysteine414 (CRY1锌结合网站)与丙氨酸所取代,显示独特的表型的昼夜节律。此外,男性Tg小鼠糖尿病的症状表现为胰腺β-细胞功能障碍,像人类成熟出现糖尿病的年轻(们)。降低了扩散的β肽是一个年龄相关性的主要原因β细胞损失。此外,异常扩大duct-like结构发达突出Tg小鼠胰腺。duct-like结构包含insulin-positive细胞,表明再生β肽的Tg老鼠。本文,主要基于作者的调查Tg老鼠的独特的特性,提出了报告结果和最近的调查结果与分子过程中一种哺乳动物,尤其是他们参与代谢的调节。新信息与胰岛的强调方面描述架构,胰腺β细胞功能障碍和再生。
1。中一种动物的各种功能
在解决主体之前,可以简明地概括了不同角色的中一种动物以及相关研究的轨道。隐花色素蛋白,共价结合代数余子式(发色团)黄素腺嘌呤二核苷酸(时尚),广泛发生在生物体(1]。隐花色素本身创造了约1970这个词来形容迄今未知光感受器在植物:加密意味着隐藏或神秘的希腊。散播他们的中一种是守恒的,结构与光裂合酶、DNA修复酶(1]。图1描绘了一个种系发生树光裂合酶/隐花色素家族蛋白在文献[2]。超过半个世纪的努力阐明DNA修复的分子过程始于光裂合酶的发现和最终授予2015年的诺贝尔化学奖(3]。中一种生物钟也发挥着至关重要作用的生物生活在地球上,使他们能够适应每天的24小时周期。
哺乳动物展览各种生理和行为过程显示节奏:睡眠/唤醒活动,激素分泌,代谢波动有节奏地在大约24小时周期。这些现象都是由一个内部生物钟在每个人的身体4]。已经到了1970年代,中央的哺乳动物生物钟指出在解剖学上的视交叉上核(SCN) [5- - - - - -7),但分子的发条SCN仍然难以捉摸,直到20世纪的最后几年(4]。随着分子生物学和遗传学的进步,哺乳动物的昼夜节律的久的分子机制在短时间内被发现在1990年代末(4]。时钟基因克隆在此期间(4]。哺乳动物中一种1和2 (Cry1和Cry2在这期间)也被识别和特征(8- - - - - -11]。一系列的淘汰赛(KO)对小鼠的研究起着至关重要的作用,在确定的功能在哺乳动物克丽丝:Yasui集团生产的有缺陷的突变体Cry1或Cry2或在这两个基因。这个研究小组,结合Van Der霍斯特et al .,发现突变体表现出没有节奏的行为当保持恒定的黑暗中12]。独立,使用类似的双基因敲除的策略,另一组达到基本相同的结论(13]。结果,连同一个体外研究[14),证明了克丽丝时钟蛋白质是不可或缺的组成部分。单Cry1KO小鼠显示短期内表型,但单身Cry2KO小鼠出现更长一段比野生型表型控制老鼠(12,13]。这些结果表明,所发挥的功能这些克丽丝在生物钟的规定是不一样的。
到2000年,哺乳动物的昼夜节律的基本分子机制被确认为一个循环转录/翻译反馈回路(TTFL),包括四个类的蛋白质:时间(per)中一种(克丽丝),时钟,BMAL1 [4]。原理图的哺乳动物TTFL呈现在图2。在反馈回路,哭与每个蛋白质在细胞质中蛋白质形成二聚体。此后,他们进入细胞核和扮演的角色转录阻遏时钟/ BMAL1复杂(4)(图2)。核受体家族的蛋白质两种,REV-ERBs ror,形成另一个循环的分子钟4,16]。第二个分子循环发挥作用在稳定TTFL [16]。关于黑腹果蝇,果蝇最初时期基因克隆早在1984年,但昼夜节律分子机制的阐明只在20世纪的最后几年,几乎同时与哺乳动物的昼夜节律(17]。负面反馈循环类似于TTFL在哺乳动物中被确认由四个蛋白质:期间,永恒的,时钟,周期17]。的主要作用果蝇哭是一个光感受器(1,17,18]。仍然中一种的另一个方面,是最近吸引了很多研究者的兴趣是“磁受作用的功能。“例如,相干量子力学分析(19)预测,光致激发禽流感视网膜的色素蛋白质生成的激进的双(对电子自旋),这使候鸟来检测地球的弱磁场的方向。这项研究的结果表明,隐花色素的激进的一对磁受作用可以被视为一种量子生物学现象(19]。
哺乳动物克丽丝受到各种转译后的修改,如下所述。这样的多边规则的克丽丝被认为控制或调整振荡的哺乳动物分子时钟。哭蛋白质的降解是通过泛素系统进行。活化蛋白激酶(AMPK),这是众所周知的,作为代谢传感器,蛋白质磷酸化哭(20.)和调节哭蛋白质稳定性主要哭蛋白质绑定到一个泛素连接酶:FBXL3 [21- - - - - -23]。FBXL21,另一个泛素连接酶,蛋白质稳定哭24,25]。Ubiquitin-specific蛋白酶7 (USP7) deubiquitinates克丽丝,从而稳定克丽丝(26]。此外,报告发生了转录后的调控hnRNP Q, rna结合蛋白,控制翻译的Cry1信使rna (27]。
2。Structural-Biological克丽丝的分析
最近进行的x射线晶体分析以及分子生物学的研究提供了重要线索,阐明分子的克丽丝的角色。结构的研究已经引起互动的细节的克丽丝FBXL3 PER2,如下所述。调节昼夜时间和/或代谢调节的能力哭分子结构,创建了各种化学物质结合克丽丝和影响他们。就是这样的一种化学KL001 [28]。据报道,FBXL3结合CRY2占领CRY2绑定的口袋时尚(29日]。同时,KL001抑制FBXL3-dependent退化的克丽丝与时尚竞争哭绑定,导致延长的时期分子钟(28,30.]。的新陈代谢,克丽丝的作用在调节肝脏糖质新生已经证明。除了对生理期的影响,在原发性肝细胞,KL001影响糖质新生通过行动,克丽丝(28]。通过调节一个Gs哭能抑制glucagon-stimulated营地生产α亚基的G蛋白(31日]。SREBP1c调节糖质新生由CRY1-mediated FOXO1退化(32]。克丽丝也调节NFκB信号直接通过结合腺苷酸环化酶,通过限制的生产营(33]。克丽丝直接绑定到糖皮质激素受体和转录响应更改为糖皮质激素34,35]。CRY1-PER2复杂的晶体结构被证明了Schmalen et al。36]。他们提出了克丽丝的分子调控的新方面:锌离子的形成中扮演重要角色CRY1-PER2蛋白质复合体(36]。cysteine414,哪些功能作为一个分子间锌结合站点位于CRY1、扮演关键的角色绑定CRY1 PER2,连同其他三个锌结合氨基酸残基在CRY1和PER2 [36]。另一组确定CRY2-PER2复杂的晶体结构37)并显示相关的半胱氨酸CRY2 [38)也作为一个分子间锌结合网站(37]。克丽丝的结构基于最近的细节结构分析进行审查(39]。
3所示。不寻常的昼夜节律和糖尿病C414A CRY1 Tg老鼠
作者以前生成的转基因小鼠无所不在地overexpressing鼠标CRY1以及鼠标CRY1突变,cysteine414取而代之的是丙氨酸(C414A CRY1 Tg老鼠:之前指定为CRY1-AP Tg老鼠)(38]。实际上,C414A CRY1严重降低其绑定能力PER2通过体外检查(36]。作者生成两个表情纹C414A CRY1 Tg老鼠:高(H)和低(L)行(38]。从根本上讲,他们表现出相似的表型的病理生理表型(40]。老鼠老鼠overexpressing完整CRY1 (CRY1 Tg)生成几乎正常昼夜节律wheel-running活动(38]。与此形成鲜明对比的是,overexpressing突变的老鼠CRY1(以下指定的老鼠只是Tg)显示长时间不同步的时间取决于转基因的表达水平38]。以下仅指H Tg的老鼠。他们还显示异常light-entrained [38和food-entrained运动节奏15]。详细的视交叉上核的独特特性,控制这种不寻常的节奏在Tg老鼠,讨论了文献[15]。Tg小鼠肝脏的生理E-box-driven基因的表达,Per2和菲律宾是抑郁显著(38),表明hyperrepressive能力C414A CRY1 E-box-driven时钟基因以及E-box-driven clock-controlled基因体内。结果表明,哭缺乏MEF细胞表明C414A CRY1实际上抑制了E-box-driven分子钟的振幅和延长它的周期37),这是不符合的特点Tg老鼠的极端长不同步的时间(38]。
作者发现,Tg老鼠显示糖尿病(38)除了不寻常的生理行为(15,38]。糖尿病的特点总结如下(40]。Tg老鼠显示sex-dependence(1)症状:只有男性Tg老鼠显示糖尿病。(2)Tg老鼠在六个星期,血糖水平的年龄开始提升,已经显示,葡萄糖耐受不良和展览没有明显的胰岛素抵抗。(3)在9周的年龄,高胆固醇血症和高甘油三酯血症在Tg老鼠。(4)免疫组织化学分析进行了19岁和40周表明,Tg老鼠的胰岛insulin-stained区域小于野生型的控制。减少的程度进行年龄相关性。(5)分子生物学水平的胰岛素分泌在27周Tg老鼠与野生型相比减少控制。结果表明,在Tg老鼠,胰岛素分泌的功能β细胞的发展β细胞从一个年轻的年龄必须在一定程度上受损。因此,Tg老鼠将作为insulin-secretory缺陷在人类的动物模型,如成熟度发作糖尿病的年轻(MODY [41]),特点是早期发病和疾病β细胞功能障碍(40]。在40周,男Tg老鼠血清甘油三酯浓度高于野生型对照组(38]。这种现象是由于严重的糖尿病(糖尿病脂血)的二次效应和之前报道的结论不矛盾40]。实际上,血糖水平增加年龄相关性,达到一个极高的水平男性Tg老鼠(38,40]。已经在40周的年龄(ca。10个月大的时候),Tg的老鼠表现出各种严重的糖尿病的症状:体重下降伴有肿胀的腹部和湿过度造成的后躯烦渴、多尿症(38和未发表的数据)。作者和他的同事们报告说,降低了扩散β肽负责年龄相关性βTg小鼠细胞损失(42]。转录因子的表达MAF-A PDX-1,被认为是重要的β在胰岛细胞成熟和功能,降低Tg老鼠随着年龄的42]。的表达下降胰岛素,葡糖激酶,Glut2从小在胰腺中Tg老鼠也被报道的42]。除了发现C414A CRY1 Tg老鼠,结果许多密集的研究与生物钟基因的参与β细胞功能(43- - - - - -50]。描述的各种时钟基因改性的动物的生理后果在审查51]。
4所示。小岛的特征基因表达式的年轻Tg老鼠
最近DNA微阵列分析小岛源自Tg在4周大的老鼠显示E-box-driven时钟基因的mRNA水平显著降低Tg小岛的老鼠(表1)[52),指示故障的分子钟的小岛Tg老鼠。时钟造成相关转录因子,菲律宾,RER-ERBα和RORγ,减少严重Tg小鼠的胰腺或小岛(42,52,53]。据报道,这些蛋白表达在胰腺β肽。他们可以直接或间接影响的功能β肽(46,54- - - - - -56]。符合减少扩散β肽(42),所涉及的各种基因的mRNA水平细胞循环控制改变(52]。此外,各种分泌蛋白质的表达包括炎性细胞因子,趋化因子,生长因子,和组织改造因素促进小鼠胰岛的Tg (52]。这个表达式的模式让人想起senescence-associated分泌表型(SASP) [57]。在网上进行了跟踪分析这种特殊模式的原因表达胰岛,基于DNA微阵列数据(53]。结果表明,过度的C414A CRY1胰岛中的各种信号通路的影响。特别是,异常激活C414A CRY1在NFκB-mediated和糖皮质激素受体(GR)介导的信号通路发挥核心作用在不同寻常的特性β肽在Tg老鼠53]。和谐,NFκB信号是扮演着重要角色的感应SASP [57]。克丽丝GR-mediated和NF的参与κB-mediated信号通路已经被报道(如上所述33- - - - - -35]。糖皮质激素的影响β细胞功能以及人口(58,59]。值得注意的是该公司的信使rna和蛋白质水平(G蛋白信号调节器)4显著增加(53]。通过灭活Gαq, G蛋白亚型α子单元,它作为一个负监管机构从胰腺的胰岛素释放β通过M的肽3毒蕈碱的乙酰胆碱受体(60]。在G干扰αq信号通路不仅会影响胰岛素的分泌也的扩散β肽对小鼠(61年]。Rgs16是一个E-box-driven生物钟基因(62年]。RGS16是一种蛋白质抑制Gαi / o (62年]。实际上,的mRNA水平Rgs16降低小鼠胰岛的Tg (53),这是符合其肝脏中表达降低Tg老鼠(15]。最近的一份报告中描述,不仅RGS16调节胰岛素分泌也β细胞增殖(63年]。因此,干扰信号通路由RGS4和RGS16不仅会导致胰岛素分泌也的扩散β肽在Tg老鼠。总的来说,除了生物钟在胰岛的功能障碍,合并后的多个通路的影响会导致insulin-secretory缺陷和可能导致严重降低扩散β肽Tg老鼠从一个年轻的阶段。
5。胰岛结构异常的Tg老鼠
在Tg老鼠,增加的α细胞/β细胞比率和总异常的分布α肽在生长(图变得引人注目3)[42]。Tg的胰腺胰岛人均面积低于野生型控制(42]。探讨相关机制,α细胞增殖测定使用免疫组织化学分析2周的年龄。结果显示无显著差异αTg和野生型老鼠之间的细胞增殖53]。此外,glucagon-positive胰岛从一个年轻的阶段提高人均面积在2周53和4周42]。因此,细胞的不同寻常的成分是在文献中主要归因于“小岛”崩溃64年),因为具体的损失β肽,主要从降低Tg老鼠扩散结果。
(一)
(b)
6。不寻常的胰腺导管结构
免疫组织化学分析表明,异常扩大duct-like SOX9积极的结构(SOX9是一个转录因子称为导管标记以及胰腺内分泌祖标记)开发更明显在胰腺中Tg老鼠比野生型的控制(52,53]。在Tg老鼠,这种现象成为明显的组织学检查在成熟阶段(52,53]。众多duct-like细胞PCNA-positive [53),这表明增强扩散的细胞参与duct-like结构的发展。在成熟阶段,更高的数字血管网络的小岛在Tg老鼠比野生型小鼠观察(图4)[53]。一致的观察,从幼年期、mRNA水平检验2在Tg升高小鼠胰岛(52]。值得注意的是先前的报告所描述的,转基因小鼠的胰岛素信号通路的持续活跃的形式的成分(一种蛋白激酶(65年),Foxo1(66年])显示扩张导管结构类似,含有marker-positive细胞增殖。特别是转基因老鼠在既定的过度活跃的FOXO1胰腺用途Pdx-1子显示类似的表型的C414A CRY1 Tg老鼠:FOXO1 Tg老鼠显示葡萄糖耐量降低β细胞质量伴随着减少MAF-A和PDX-1 [66年]。此外,观察其高血管性网络的形成的小岛FOXO1 Tg老鼠(66年]。在这方面,最近的一份报告中描述,CRY1参与核FOXO1的退化与泛素连接酶,MDM2 [32),非常的不同寻常的导管结构增长的机制。可能C414A CRY1抑制dominant-negatively正常CRY1 FOXO1的退化。因此,它的功能作为FOXO1介导的信号通路的激活Tg小鼠胰腺。因此,overactivation FOXO1的主要原因可能是感应的导管结构Tg老鼠。此外,放松管制的信号级联,如刺猬- - - - - -,切口- - - - - -,Wnt信号通路,可能导致不寻常的导管结构的发展Tg老鼠。C414A CRY1可能影响鼠标永恒(TIM;蒂姆称为CRY-binding蛋白(39]),可能会扰乱蒂姆在胰腺的功能,可能导致异常的激活信号通路,一份报告中描述(67年]。实际上,一些成分刺猬信号和Wnt信号通路在Tg升高小鼠胰岛(52]。最近,它提出了蒂姆在DNA损伤反应中发挥作用与PARP1 [68年]。蒂姆的扰动C414A CRY1可能引起DNA损伤的积累,从而有助于降低扩散β肽在Tg老鼠。duct-like结构包含insulin-positive细胞(图5)[53]。此外,集群insulin-positive细胞附近duct-like结构(图6)[53]。这些结果强烈表明,新生β肽发生。一个回顾总结了实验模型派生而来β细胞新生报道日期和角色的导管细胞的来源β肽(69年]。在成熟阶段,渗透了巨噬细胞细胞经常观察小鼠胰岛的Tg (53]。趋化因子/细胞因子诱导epithelial-mesenchymal过渡(EMT)的过程中β从最近提出了导管细胞细胞再生70年]。类似的感应机制EMT的可能,至少部分,产生新的β从duct-like结构,肽分泌细胞因子和趋化因子在Tg扮演相关角色老鼠因为SASP-like字符β肽(52),通过招募巨噬细胞细胞胰岛(53]。综上所述,在胰岛的血管网络改造的进展。浸润的巨噬细胞可能参与,至少部分的过程。
(一)
(b)
7所示。未来的发展方向
关于生物钟之间的串音和功能的调节β肽、circadian-hormonal的说明效果将变得越来越重要。这种趋势以最近的报告:褪黑素,一种激素,展示一些与昼夜节律(71年),直接调节胰岛素分泌β肽(72年]。糖皮质激素的浓度,也波动昼夜的方式(71年),影响β正如上面所讨论的细胞功能。此外,它已经表明,甲状腺激素T3刺激β细胞成熟增加MAF-A表达式(73年]。甲状腺激素的生理控制审查中描述(74年]。因此,适当的时机的日常接触这些激素β预计的肽不仅是重要的微调β细胞功能,而且对维护β肽。
总值异常显示明显在Tg小鼠胰岛和胰腺表明哭函数不仅在哺乳动物中是有限的生物钟的TTFL的一部分;他们也强烈影响β细胞增殖和生理学。尤其是有趣的想象,Zn-binding CRY-PER复杂的可能有一些额外的发现的角色β细胞功能和细胞水平的锌因为内容β肽是异常高的比较与其他细胞(75年]。提高我们理解为什么无处不在的超表达C414A CRY1特别影响β肽在老鼠中,必须进行进一步的实验。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢教授m .甘农(范德比尔特大学)和美国Bonner-Weir(乔斯林糖尿病中心)有价值的讨论与胰岛结构有关。特别欣赏是扩展到教授h . Mizukami(不管大学),美国Yagihashi(不管大学),和w .西村(有望医科大学)技术咨询与胰岛的分离和分析β细胞。工作C414A CRY1 Tg老鼠被Akio徐怀钰计划支持2008(山形大学;批准号35),jsp KAKENHI(批准号。16790142,18790168,21590429,24590473,和15 k08417],和联合研究项目的联合使用/研究中心研究所的发展,衰老和癌症(IDAC),东北大学(批准号。306,3)。