生物钟调控的转录共抑制因子Groucho1和Groucho2在斑马鱼生物钟的作用研究

摘要

从低等单细胞生物到高等动物以及人类，生命体对地球自转而形成的昼夜节律的长期适应而演化出的计时机制称作生物钟。生物钟系统主要包括三部分：输入通路、核心振荡器、输出通路。生命体的生物钟能够调节大约24小时的周期性生理和行为，如体温变化、肝脏代谢及激素分泌等。哺乳动物中生物钟分子机制由正-负反馈环路来调控正调控因子BMAL和CLOCK形成异二聚体，进入细胞核结合负调控因子Per和Cry启动子的E-box或E’-box激活其转录；随后PER和CRY蛋白结合形成复合体与异二聚体 BMAL:CLOCK结合，抑制其活性，完成一个循环。groucho首先在果蝇中被发现，并且被证实具有调控转录共抑制的功能。在粗糙脉孢菌中，核心生物钟基因 frq的转录激活调控除了受依赖于WHITE-COLLAR复合体外，也受转录共抑制因子RCO-1的抑制。通过进化树分析发现，斑马鱼中与RCO-1同源的基因有两个即gro1和gro2。但是对于斑马鱼中，gro1和gro2基因的转录是否受生物钟调控以及gro1和gro2基因是否能够参与核心生物钟反馈环路尚不清楚。
　　本研究采用实时荧光定量检测发现：在正常光暗和持续黑暗的条件下，gro1和gro2基因的表达都有明显的节律性，并且在per1b突变体中都呈现上调表达，在bmal1b突变体中呈现下调表达。通过双荧光酶报告检测发现核心生物钟蛋白Bmal1b和Clock1能够激活gro1和gro2基因的转录，而这种激活效应能够被Cry1ab所抑制。通过ChIP发现，Bmal1b能够绑定到gro1和gro2基因启动子上的E-box元件。以上结果说明斑马鱼的核心生物钟能够直接调控gro1和gro2基因的转录。为了进一步研究gro1和gro2基因的功能，我们利用CRISPR-Cas9技术在斑马鱼中构建了gro1和gro2基因突变的斑马鱼品系。在正常光暗条件和持续黑暗条件下，gro1和gro2在自身突变体里的表达均下调，而gro1在gro2的突变体里表达呈上调，gro2在 gro1的突变体里表达呈上调，生物钟基因的表达在突变体里的表达均发生明显变化；在正常光暗条件下，gro1突变体斑马鱼的行为活动量呈明显降低，gro2突变体斑马鱼的行为活动量呈现出明显增加；在持续黑暗的条件下，gro1突变体斑马鱼的行为呈现出振幅降低，周期延长以及时相后移，gro2突变体斑马鱼的行为呈现出振幅变大，周期缩短，时相前移；我们利用 MO同时敲降 gro1和gro2基因的表达，导致其节律周期有明显的降低，振幅变大，时相前移，这一结果表明Gro1和Gro2对于维持斑马鱼正常行为节律起着必要的作用。通过CoIP实验，我们发现Gro1和Gro2蛋白都不能够与斑马鱼的核心生物钟蛋白有直接的作用，这意味着Gro1和Gro2蛋白可能通过其他方式作用于生物钟蛋白，进而影响钟基因的表达以及正常的行为节律活动。综合以上实验结果得出：转录共抑制因子gro1和gro2基因能够被斑马鱼的核心生物钟基因直接调控并且在维持斑马鱼的核心生物钟基因的表达以及行为活动的节律扮演着重要的作用。这些发现对于研究斑马鱼生物钟的分子机制以及生物钟调节的其他生命过程的研究有着重要意义，为进一步完善现有生物钟环路以及后续研究生物钟调控生命过程奠定了基础。

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第一章 文献综述

1.1生物钟概论

1.2生物钟的组成及分子机制

1.3生物钟与疾病

1.4斑马鱼作为模式生物的优势

1.5 CRISPR-Cas9的来源以及作用原理

1.6 groucho基因

1.7 技术路线

1.8立题意义和主要研究内容

第二章 材料与方法

2.1实验动物

2.2实验试剂实验试剂

2.3实验仪器

2.4 常用溶液与试剂的配制方法

2.5实验方法

2.6引物设计

第三章 实验结果及分析

3.1 TLE/Grg/Gro蛋白家族进化分析

3.2 斑马鱼体内gro1和gro2基因呈现生物钟节律表达

3.3 斑马鱼gro1和gro2基因受生物钟直接调控

3.4 CRISPR-Cas9构建斑马鱼gro1和gro2基因的突变体

3.5斑马鱼gro1和gro2基因突变后对生物钟基因表达的影响

3.6斑马鱼gro1和gro2基因突变后对斑马鱼行为节律的影响

3.7斑马鱼Gro1和Gro2蛋白与核心生物钟蛋白之间的作用关系

3.8 反义核苷酸Morpholino（MO）同时敲降gro1和gro2基因的表达

3.9 MO同时敲降gro1和gro2基因的表达对斑马鱼的行为节律的影响

第四章 讨论

4.1. 斑马鱼gro1和gro2基因直接受斑马鱼的核心生物钟调控

4.2. 斑马鱼gro1和gro2基因突变体内，生物钟基因表达变化以及行为节律的改变。

4.3. 斑马鱼Gro1和Gro2蛋白与斑马鱼的核心生物钟蛋白之间的关系

第五章 结论

参考文献

英文缩略词表

研究生期间已发表和待发表的论文

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