一个多学科团队的新研究有助于阐明昼夜节律背后的机制，为应对时差、失眠和其他睡眠障碍带来了新的希望。
利用创新的冷冻电子显微镜技术，研究人员已经确定了果蝇(Drosophila melanogaster)的昼夜节律光敏器结构及其靶标，果蝇是研究昼夜节律的主要生物之一。这项研究4月26日发表在《自然》杂志上。
这项研究的重点是果蝇的隐花色素 (Cryptochromes ，CRYs) ，这是包括人类在内的动植物生物钟的关键组成部分。在果蝇和其他昆虫中，隐花色素被蓝光激活，作为设置昼夜节律的主要光传感器。隐花色素光敏器的靶标，被称为“Timeless” (TIM)，是一种以前无法成像的大而复杂的蛋白质，因此它与隐花色素的相互作用并不是很清楚。
昼夜节律基本上是通过基因反馈回路起作用的。研究人员发现，TIM蛋白和它的伙伴Period（PER）蛋白共同作用，抑制了负责其自身产生的基因。随着基因表达和抑制事件之间的适当延迟，建立了蛋白质水平的振荡。
资深作者Brian Crane说，这种振荡代表了“时钟的滴答声，似乎是昼夜节律中相当独特的存在”。
Crane说，蓝光改变了隐花色素的黄素辅助因子的化学和结构，这使得蛋白质与TIM蛋白结合，抑制TIM抑制基因表达的能力，从而重置振荡。
Crane表示，这项研究的大部分艰苦工作都是为了弄清楚如何产生隐花色素-TIM复合物，以便对其进行研究，因为TIM是一种巨大而笨重的蛋白质。为了实现他们的结果，第一作者Changfan Lin修改了隐花色素蛋白，以提高隐花色素-TIM复合物的稳定性，并使用创新技术纯化样品，使其适合高分辨率成像。
Lin说，“这些新方法使我们能够获得蛋白质结构的详细图像，并获得对其功能的有价值的见解，这项研究不仅加深了我们对昼夜节律调节的理解，而且为开发针对相关过程的治疗方法开辟了新的可能性。”
研究报告的合著者Shi Feng是生物物理学领域的博士生，他做了大量冷冻电子显微镜的工作。
这项研究的一个意想不到的结果揭示了DNA损伤是如何在细胞中修复的。隐花色素与参与修复DNA损伤的酶家族密切相关，这种酶称为DNA光裂合酶 (photolyase)。Crane说，这项研究“解释了为什么这些蛋白质家族彼此密切相关，尽管它们做的事情完全不同——它们在不同的环境中使用相同的分子识别。”
这项研究还为果蝇的基因变异提供了一种解释，这种基因变异使果蝇能够适应高纬度地区，在高纬度地区，冬天白天更短，温度更低。这些果蝇有更多的某种基因变异，这种变异涉及到TIM蛋白的变化，目前还不清楚为什么这种变异会对它们有帮助。研究人员发现，由于隐花色素与TIM结合的方式不同，这种变异降低了TIM对隐花色素的亲和力。然后，蛋白质之间的相互作用被调节，光重置振荡的能力被改变，从而改变了生物钟，延长了果蝇的休眠时间，这有助于它度过冬天。
“我们在果蝇中看到的一些相互作用可以映射到人类蛋白质上，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被内置到系统中的。”
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“groove”，这有助于解释TIM如何进入细胞核。先前的研究已经确定了与这一过程有关的一些因素，但确切的机制尚不清楚。“我们的研究为这一现象提供了更清晰的理解，”Lin说。
参考文献
Cryptochrome-Timeless Structure Reveals Circadian Clock Timing Mechanisms
