新的研究证明了转录后过程在昼夜节律中的重要性，揭示了Period2基因上游开放阅读框(uorf)的突变可以破坏小鼠的睡眠模式。这一发现对癌症研究和药物治疗的时机有更广泛的影响。
大阪大学、东京大学和昆士兰科技大学的科学家们进行了一项合作研究，他们发现了昼夜节律mRNA周期中的一种结构，这种结构会影响睡眠-觉醒周期，尤其是在清晨和深夜。
昼夜节律是协调我们日常活动的内部生物钟，在健康和幸福中起着至关重要的作用。转录在调节这些节律中的作用是公认的。
然而，最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项研究揭示了对转录后过程重要性的新见解。该研究通过强调翻译和转录后过程如何影响人体内部时钟和睡眠模式，重新定义了我们的理解。
通过使用核糖体分析，研究小组检查了核糖体结合的时间与峰值蛋白质和RNA水平的关系。他们发现了这些过程在时间上的显著差异，这表明昼夜蛋白生产存在复杂的翻译后控制。
Per2 uORF的破坏破坏了昼夜节律的振幅(左)并减少了小鼠的睡眠(右)。来源:2023年，Arthur Millius等人，《美国国家科学院院刊》，昼夜节律核糖体分析揭示了Period2上游开放阅读框架在睡眠中的作用
通讯作者Hiroki Ueda说:“我们在之前的工作的基础上，精确量化了24小时内处于恒定黑暗中的小鼠的昼夜节律蛋白水平，这控制了光的混淆效应。”“使用核糖体分析，我想看看核糖体与RNA的结合如何与这些蛋白质实际合成的时间相关。通过试图回答这个基本的时间问题，我们发现核糖体在Period2中与上游开放阅读框结合，这改变了昼夜节律的幅度，扰乱了小鼠的睡眠，”首席作者阿瑟·米利厄斯补充道。
研究人员在昼夜节律mrna的5 '非翻译区发现了许多上游开放阅读框(uorf)，这是RNA的一部分，在所谓的“编码序列”被核糖体翻译成蛋白质之前。这些uorf与主要编码序列中核糖体结合减少有关，并且在研究人员测试的各种昼夜节律分析中降低了报告基因的表达，这表明uorf在形成昼夜节律蛋白表达中起作用。
研究小组的生物信息学家迪米特里·佩兰(Dimitri Perrin)解释说:“大约一半的小鼠和人类基因至少有一个uORF，但特别有趣的是，大约75%与昼夜节律相关的基因都有一个uORF，这意味着昼夜节律特别容易受到这种转录后调节的影响。”
突变核心时钟基因Period2 (Per2)中的uORF产生了有趣的结果。它提高了Per2 mRNA的表达，同时显著缩短了小鼠的总睡眠时间，特别是在明暗转换期间。“我们的睡眠数据表明，破坏uorf可以对小鼠的行为产生生理影响，这表明你不必改变蛋白质来产生影响，”使用实验室的快速睡眠阶段系统分析小鼠表型的Rikuhiro Yamada解释说。
“我们对Per2 uORF突变小鼠进行了核糖体分析，尽管突变小鼠的核糖体结合增强，但最令人惊讶的是Per2 mRNA水平的增加，”Arthur Millius继续说道。“我们认为uorf主要会影响mRNA的翻译，但事实证明它们也可能引发类似于无义介导的衰变的RNA降解反应。”
PER2蛋白是抑制反馈回路的中心，是控制昼夜节律的分子机制的基础，但它的重要性不仅仅是调节睡眠。Per2在乳腺癌中表达失调，在急性髓性白血病患者中表达下调，Per2的破坏导致小鼠肿瘤发生。
因此，了解形成Per2表达的转录后过程对包括昼夜节律和医学在内的各个领域具有广泛的意义，并且可以为癌症如何劫持细胞的正常昼夜节律程序或帮助改善具有时间依赖性治疗效果的药物提供新的见解。
参考文献:Arthur Millius, Rikuhiro G. Yamada, Hiroshi Fujishima, Kazuhiko Maeda, Daron M. Standley, Kenta Sumiyama, Dimitri Perrin和Hiroki R. Ueda, 2023年9月28日，美国国家科学院院刊。“生理核糖体分析揭示睡眠中Period2上游开放阅读框架的作用”。DOI: 10.1073 / pnas.2214636120
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