Nature：从结构上揭示生物钟定时机制

黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）是用于研究昼夜节律的主要模式生物之一。在一项新的研究中，来自美国康乃尔大学的研究人员利用创新的低温电镜技术，确定了黑腹果蝇的昼夜节律光传感器及其靶标的结构。这一发现有助于阐明昼夜节律（circadian rhythm）背后的机制，为处理时差、失眠和其他睡眠障碍提供新的希望。相关研究结果于2023年4月26日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Cryptochrome–Timeless structure reveals circadian clock timing mechanisms”。

这项新研究的重点是果蝇隐花色素（cryptochrome, Cry）蛋白，这是包括人类在内的植物和动物的生物钟（circadian clock，也称为昼夜节律钟）的关键组成部分。在果蝇和其他昆虫中，被蓝光激活的Cry蛋白是设定昼夜节律的主要光传感器。光传感器Cry蛋白的作用靶标，被称为“Timeless（TIM）”，是一种大型的、复杂的蛋白，人们以前无法对它进行成像，因此对它与Cry蛋白之间的相互作用并不十分了解。

昼夜节律基本上是通过基因反馈回路起作用的。这些作者发现，TIM蛋白与它的搭档Period（PER）蛋白一起作用，抑制负责它们自身产生的基因。随着基因表达和抑制事件之间的适当延迟，蛋白水平的振荡就被确立了。

论文通讯作者、康乃尔大学文理学院化学与化学生物学系主任Brian Crane教授说，这种振荡代表了“生物钟的滴答声，似乎是昼夜节律中相当独特的”。

Crane说，蓝光改变了Cry蛋白的黄素辅因子的化学特性和结构，这使得该蛋白能够与TIM蛋白结合，抑制TIM抑制基因表达的能力，从而重置这种蛋白水平的振荡。

Crane说，这项研究的大部分艰苦工作是为了弄清楚如何产生Cry-TIM复合物，以便进行研究，因为TIM是一种巨大的、难处理的蛋白。为了实现他们的成果，论文共同第一作者Changfan Lin对Cry蛋白进行修饰以提高Cry-TIM复合物的稳定性，并使用创新技术来纯化Cry-TIM复合物样品，使得它们适合用于高分辨率成像。作为另一名论文共同第一作者，Shi Feng做了很多低温电镜方面的研究工作。

Lin说，“这些新方法使我们能够获得这些蛋白结构的详细图像，并获得对它们功能的宝贵见解。这项研究不仅加深了我们对昼夜节律调节的理解，还为开发靶向相关过程的疗法提供了新的可能性。”

Cry–Tim复合物的低温电镜结构。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06009-4。

这项新研究的一个意外结果揭示了细胞中DNA损伤是如何修复的。Cry蛋白与参与修复DNA损伤的一个酶家族---光解酶（photolyase）---密切相关。Crane说，这项研究“解释了为什么这些蛋白家族彼此密切相关，尽管它们做的事情完全不同---它们在不同的环境下使用相同的分子识别”。

这项研究还为让果蝇能够适应更高纬度的遗传变异提供了解释，其中在较高纬度的地方，冬天的白天更短，而且更凉爽。这些果蝇更多地具有某种与TIM蛋白变化相关的遗传变异，而且不清楚为什么这种变异会对它们有帮助。这些作者发现，由于Cry蛋白与TIM的结合方式，这种变异降低了TIM与Cry蛋白的亲和力。然后，这两种蛋白之间的相互作用受到调节，蓝光重置这种振荡的能力发生变化，因而改变了生物钟，延长了果蝇的休眠期，这有助于它在冬季生存。

Crane说，“我们在这项研究中观察到的果蝇体内的一些相互作用可以对应到人类蛋白上。这项研究可能有助于我们理解调节人类睡眠行为的组成部分之间的关键相互作用，比如基本计时机制中的关键延迟是如何在这种系统中建立的。”

Lin说，另一个令人兴奋的发现是在TIM中发现了一个重要的结构区域，称为“槽（groove）”，这有助于解释TIM如何进入细胞核。以前的研究已确定了参与这一过程的一些因子，但确切的机制仍然不清楚。Lin说，“我们的研究提供了对这一现象更清晰的理解。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Changfan Lin et al. Cryptochrome–Timeless structure reveals circadian clock timing mechanisms. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06009-4.