Tal como muitos outros organismos, a mosca da fruta Drosophila melanogaster opera num horário de 24 horas mantidas por entrada ambiental com um relógio interno do corpo. A base molecular do relógio depende de oscilações na ativação de genes específicos em determinados momentos do dia.A principal característica dessas oscilações moleculares é um loop de feedback negativo em que os produtos de proteína de genes realmente desligar a produção de mais proteína. Este processo é possível, em todas as células de Drosophila , no entanto, as concentrações mais elevadas das moléculas essenciais são encontrados nos neurónios laterais do sistema nervoso central. Estes neurônios laterais, ou células de pacemaker, são a Drosophila equivalente de neurónios de mamíferos no núcleo supraquiasmático. Veja estes animações exibir a orquestração dinâmica dos eventos moleculares da Drosophila relógio biológico.
Parte 1: Fundamentos da retroalimentação negativa
O circuito de retroalimentação negativa, que forma a base da Drosophila relógio molecular ocorre ao nível da transcrição de genes.
O activado período ( por ) gene no núcleo da célula é visto transcrever RNA mensageiro (mRNA) moléculas. Como a animação começa, por ARNm move-se para o citoplasma, onde ribossomas para traduzir o mRNA PERÍODO (PER) de moléculas de proteína. Algumas moléculas PER (mostrado na rosa) degradar logo após a síntese, e outros (mostrados em vermelho) são estáveis e acumulam-se no citoplasma.
PER níveis de proteína atingem um máximo durante o meio da noite. Nesse ponto, as moléculas estáveis POR entrar no núcleo. Dentro do núcleo, a proteína por inibe a transcrição do seu próprio gene. O per gene fica preta para indicar que a transcrição é reprimida.
À medida que o sol se levanta, moléculas por tornam-se suscetíveis à degradação (mostrado na rosa).Ao longo de várias horas, toda a proteína PER desaparece. Na ausência de PER, a transcrição do porgene começa novamente.
Tal como a maioria dos genes, a sequência de ADN do por gene contém uma região reguladora a montante do promotor de chamada (esquerda rectângulo vermelho), seguido do molde de ADN para a transcrição de ARNm (rectângulo vermelho direito). Para o per gene a ser transcrito, duas proteínas, ciclo (CYC) e relógio, deve ligar-se a uma região do DNA chamada de E-box no per promotor do gene.
Como a animação começa, é noite. O complexo CYC / CLOCK está ligado ao promotor, e o per gene é transcrito. A transcrição é reprimida quando as moléculas de proteína PER interagir diretamente com o complexo CYC / CLOCK. Depois o sol aumenta, no entanto, as moléculas POR degradar, libertando deste modo a repressão do complexo CYC / RELÓGIO. Como resultado, por resumos de transcrição do gene.
Parte 3: formulários por um complexo com a TIM
Como o per gene, a transcrição do intemporal ( tim gene) é ativada pelas proteínas CYC e relógio. Após a transcrição, tim e por moléculas de RNA mensageiro (mRNA) são traduzidos no citoplasma para fazer TIM e proteínas PER. TIM e proteínas por se ligar um ao outro para formar um heterodímero (de uma molécula formada pela união de duas moléculas não idênticos). A formação de um complexo com TIM POR protege contra a degradação rápida.
PER / complexos TIM entrar no núcleo, onde eles interagem diretamente com complexos CYC / CLOCK. Essa interação reprime a transcrição da tim e por genes. Ao nascer do sol, a luz provoca a degradação rápida da TIM. Sem TIM como um parceiro de estabilização, PER também degrada. A repressão de CYC / CLOCK é assim lançado, e currículos de transcrição.
Parte 4: PER e TIM degradação
A Drosophila doubletime proteína, que é encontrada tanto no citoplasma e no núcleo, é homóloga (intimamente relacionado evolutivamente) a mamíferos caseína quinase 1 epsilon. Quinases são enzimas que adicionam grupos de fosfato de moléculas.
A adição de grupos fosfato à proteína por acelera a sua degradação. Conforme a proteína é sintetizada no citoplasma, doubletime (mostrado como um triângulo) causa a degradação das proteínas PER (rosa). No entanto, POR proteínas que formaram complexos com proteínas TIM são resistentes à degradação pela doubletime. POR / complexos TIM entrar no núcleo e algumas interagem com CYC / CLOCK, resultando na repressão da transcrição das por e tim genes.
Ao nascer do sol, a luz provoca uma mudança conformacional (forma) na proteína cryptochrome, ativando-lo. (Cryptochrome é mostrado como um diamante laranja quando ele está inativo e alterações em um círculo quando ele se torna ativo.) Activated cryptochrome interage com a TIM, fazendo-a se degradar. Sem a estabilização conferida por TIM, POR proteínas tornam-se susceptíveis à degradação pela proteína doubletime no núcleo.
A degradação do PER / TIM resulta na liberação de repressão e transcrição das por e tim genes começa mais uma vez.
Uma mutação específica no DoubleTime quinase da molécula resulta numa mosca da fruta, com um período de cerca de 28 horas. Assista a esta exibição de animação como um menos eficazes DoubleTime molécula resulta em um período prolongado.
Fosforila DoubleTime POR monómeros (moléculas individuais) no citoplasma, o que resulta na degradação da PER. Este processo no mutante é menos eficaz do que a do tipo selvagem (mostrado pela doubletime mutante "disparando duas vezes" para resultar em PER degradação, enquanto o tipo selvagem doubletime "dispara" apenas uma vez). No entanto, a acumulação de PER / TIM heterodímeros no citoplasma é comparável ao observado nas moscas de tipo selvagem. (Um heterodímero é uma molécula formada pela união de duas moléculas não idênticos.)
POR / TIM heterodímeros bloqueiam a transcrição. Luz induz uma alteração conformacional na criptocromo. Cryptochrome degrada TIM.
Neste ponto, o momento da degradação PER difere no mutante (imagem da esquerda) e de tipo selvagem (imagem direita). Doubletime Mutant degrada PER, mas a um ritmo mais lento do que o de tipo selvagem. Como resultado, a por a libertação de genes de repressão ocorre mais tarde no mutante, por sua vez, por e tim os genes são activados mais tarde. O efeito resultante sobre o ritmo circadiano da mosca da fruta é um período prolongado.
Drosophila Molecular fundo Modelo
Os organismos vivos desenvolveram mecanismos internos de cronometragem para sincronizar comportamento e fisiologia com os ciclos de dia e noite. Estes relógios biológicos têm sido encontrados em organismos tão diversos como fungos, moscas de fruta, hamsters e seres humanos.
Para entender como os genes normais e mutantes influencia o ritmo circadiano, a nível molecular, esta animação demonstra interacções moleculares dentro de uma única célula do sistema nervoso da mosca da fruta. A animação é dividida em partes que aumentam progressivamente em complexidade, começando com os princípios básicos da transcrição, tradução, e um ciclo de feedback negativo. As alterações moleculares estão correlacionados com os ciclos dia-noite. Finalmente, os efeitos de moléculas mutantes sobre o comprimento, ou um período, do ciclo diário são mostrados.
Símbolos consistentes são usados tanto em Drosophila e as animações modelo molecular dos mamíferos. Formas específicas de espécies do período gene e seu produto de proteína PER são componentes essenciais do ciclo de feedback negativo que regula os ritmos circadianos. A Drosophiladoubletime enzima reguladora semelhante à caseína quinase uma enzima epsilon mamíferos. Os fatores de transcrição que se ligam a transcrição de genes em Drosophila (ciclo e CLOCK) são parentes próximos de fatores de transcrição de genes em mamíferos (BMAL1 e CLOCK). (BMAL1 é homóloga CICLO;. Mesma molécula em diferentes organismos, muitas vezes tem um nome diferente) Enquanto criptocromo é um regulador molecular essencial para a Drosophila e ritmos circadianos de mamífero, a sua função é muito diferente nos dois organismos. Criptocromo na Drosophila é directamente sensível a entrada de luz, a luz pode passar através do exoesqueleto de Drosophila e entrar neurónios, onde se produz uma mudança conformacional na criptocromo. Este criptocromo activado depois efectuada a degradação de proteínas TIM no núcleo. Em contraste, o criptocromogene em mamíferos actua em conjunto com o prazo de genes na regulação do ritmo circadiano através do loop de feedback negativo. Uma área ativa de pesquisa é a análise de como a luz afeta genes do relógio circadiano de mamíferos.
Esta animação foi projetado em conjunto com 2000 Férias Palestras do HHMI de Ciência , Genes Clockwork: Descobertas em tempo biológico .
Drosophila modelo molecular Dicas de Ensino
As animações nesta seção têm uma ampla variedade de aplicações em sala de aula. Utilize as dicas abaixo para começar, mas observe as dicas mais específicas de ensino em um futuro próximo. Por favor, diga-nos como você está usando as animações em sua sala de aula, enviando um e-mail parabiointeractive@hhmi.org .
- Use as animações para fazer abstratas idéias científicas visível e concreto.
- Explique os princípios científicos importantes através das animações. Por exemplo, os relógios biológicos animações podem ser utilizados para demonstrar os fundamentos da transcrição e tradução.
- Certifique-se de que os alunos aprendem o material, repetindo seções das animações as vezes que você acha necessário reforçar subjacentes princípios científicos. Você pode iniciar, reiniciar e reproduzir seções das animações.
- Exortar os alunos a utilizar as animações de acordo com seus próprios estilos de aprendizagem.Estudantes que são mais visualmente orientados podem assistir as animações primeiro e ler o texto mais tarde, enquanto outros podem preferir ler as explicações e depois ver os gráficos.
- Incorporar as animações em módulos de aprendizagem baseados na Web que você cria para completar o seu currículo em sala de aula.
- Encoraje os alunos a incorporar as animações em seus próprios projetos baseados na web.
Drosophila modelo molecular Créditos
Diretor: Dennis Liu, Ph.D.
Direção Científica: Michael Rosbash, Ph.D.
Conteúdo científico: Donna Messersmith, Ph.D.
Animadores: Chris Vargas, Eric Keller
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