PNAS：粗糙脉孢菌中发现连接昼夜节律和细胞分裂周期的关键分子
美国辛辛那提大学(UC)的研究人员，在粗糙脉孢菌中发现了连接昼夜节律和细胞分裂周期的关键分子组成，为改善疾病治疗和药物传递提供了见解。这项研究是由Christian Hong 博士带领的UC医学院分子和细胞生理学系的研究团队完成，相关文章发表于2014年1月13日的《PNAS》杂志上。
细胞周期和昼夜节律钟，是生命有机体中两种主要的节律性、周期性的活动，参与机体代谢与生理节律，在分子水平上，它们的周期性活动是由一种周期性振荡的网络构成的，这种网络由一系列节律性表达的蛋白所形成。
细胞周期和昼夜节律钟彼此之间能够进行交流，从而引起昼夜节律门控的细胞分裂周期。改变这种网络，则会引起诸如癌症之类的疾病。因此，确定连接这两种振荡器的分子组成是至关重要的。然而，昼夜节律钟和细胞周期之间的分子机制仍然不太为人所知。一种丝状的模式真菌——粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)，是用于阐明昼夜节律分子机制的多核系统，但是不能用来研究这两种振荡器之间的分子耦合。
目前，美国辛辛那提大学(UC)的研究人员，在粗糙脉孢菌中发现了连接昼夜节律和细胞分裂周期的关键分子组成，为改善疾病治疗和药物传递提供了见解。研究人员指出，在昼夜节律钟和细胞周期之间存在一种保守耦合关系。根据这项发现，他们构建了一个数学模型，预测细胞周期组分的振荡和依赖昼夜节律钟的同步核分裂。
Hong博士是分子和细胞生理学系的助理教授，他说：“我们的工作，对于大体理解细胞周期和昼夜节律钟之间的联系，具有很大的影响。”
Hong博士的这项研究，受到美国国防部国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)为期四年370万美元的资助。他还收到了来自辛辛那提大学分子和细胞生理学系的启动资金资助。
昼夜节律，通常被称为“生物钟”，是基于24小时周期的生物活性周期，由一个同步到光-暗循环周期的生物钟(internal clock)和其它外部线索产生。
Hong说：“所有事物都有一个时间表，我们对在分子水平上理解这些时间表非常感兴趣。我们还想知道，连接两种不同振动器(生物钟和细胞分裂、或有丝分裂)的分子组成。”
利用丝状的真菌粗糙脉孢菌，研究人员采用数学建模研究了细胞周期和昼夜节律钟之间的耦合关系。并通过实验验证了模型驱动预测。他们证实，一种机制在脉孢菌中，就像在哺乳动物中一样的保守(不变的)，这引起了昼夜节律钟门控的有丝分裂周期。
Hong表示：“细胞分裂发生在一天中的某个时刻，通过昼夜节律机制，它们受分子调控。”
研究人员指出，昼夜节律钟和细胞周期之间的这种保守耦合关系，通过丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶-29(STK-29)存在，STK-29是哺乳动物WEE1激酶的脉孢菌同源物(具有相似的DNA序列)。
此外，研究人员进行了移相实验，在实验中他们将脉孢菌转移到恒定的黑暗中，然后在指定的时间点，给予90分种的白色荧光脉冲，以诱导移相。
Hong说：“我们发现，当我们移相控制昼夜节律钟时，也能观察到细胞周期组分的移相。”
通过以脉孢菌为基础建立的实验验证的数学模型，研究人员就能够在其它粗糙脉孢菌菌株和哺乳动物细胞中作出预测。
正如Hong所说：“这一发现，可以作为进一步揭示细胞周期和昼夜节律之间耦合机制的守恒原则的垫脚石。”
原文摘要：
Circadian rhythms synchronize mitosis in Neurospora crassa
C. I. Hong, J. Zamborszky, M. Baek, L. Labiscsak, K. Ju, H. Lee, L. F. Larrondo, A. Goity, H. S. Chong, W. J. Belden, A. Csikasz-Nagy
The cell cycle and the circadian clock communicate with each other, resulting in circadian-gated cell division cycles. Alterations in this network may lead to diseases such as cancer. Therefore, it is critical to identify molecular components that connect these two oscillators. However, molecular mechanisms between the clock and the cell cycle remain largely unknown. A model filamentous fungus, Neurospora crassa, is a multinucleate system used to elucidate molecular mechanisms of circadian rhythms, but not used to investigate the molecular coupling between these two oscillators. In this report, we show that a conserved coupling between the circadian clock and the cell cycle exists via serine/threonine protein kinase-29 (STK-29), the Neurospora homolog of mammalian WEE1 kinase. Based on this finding, we established a mathematical model that predicts circadian oscillations of cell cycle components and circadian clock-dependent synchronized nuclear divisions. We experimentally demonstrate that G1 and G2 cyclins, CLN-1 and CLB-1, respectively, oscillate in a circadian manner with bioluminescence reporters. The oscillations ofclb-1 and stk-29 gene expression are abolished in a circadian arrhythmic frqko mutant. Additionally, we show the light-induced phase shifts of a core circadian component, frq, as well as the gene expression of the cell cycle components clb-1 and stk-29, which may alter the timing of divisions. We then used a histone hH1-GFP reporter to observe nuclear divisions over time, and show that a large number of nuclear divisions occur in the evening. Our findings demonstrate the circadian clock-dependent molecular dynamics of cell cycle components that result in synchronized nuclear divisions in Neurospora.
