En verdens første inden for cirkadisk urmanipulation

Nagoya University Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) forskningsteam for udpeget lektor Tsuyoshi Hirota, Postdoktor Simon Miller, Professor Kenichiro Itami og kandidatstuderende Tsuyoshi Oshima (Research Fellowship for Young Scientists, JSPS), i samarbejde med gruppen af ​​Ben Feringa og postdoktor Dušan Kolarski fra Groningen University i Holland, har opnået en verdens første:fuldstændig reversibel manipulation af perioden med døgnrytmen ved hjælp af lys, ved at udskifte en del af en forbindelse med en lysaktiveret kontakt.

Vågner om morgenen, sover om natten - størstedelen af ​​vores biologiske aktiviteter gentages inden for en daglig cyklus. Den interne proces, der styrer denne rytme, er kendt som døgnrytmen. Selvom det forstås, at døgnrytmen styres af de kombinerede funktioner af urgener og urproteiner, den proces, hvormed det er muligt at kontrollere og stabilisere rytmen over den lange periode på et døgn, har været indhyllet i mystik. For at løse dette spørgsmål, forskerne etablerede en kemisk biologiproces til storstilet analyse af forbindelsernes virkning på døgnrytmen i dyrkede humane celler, belysning af de betydelige molekylære mekanismer, der bestemmer den daglige periode.

Denne store kemiske screening identificerede to forbindelser-TH303 og den analoge TH129-som forlængede døgnrytmen. Forskergruppen arbejdede derefter med at belyse, hvordan disse forbindelser interagerer med urproteinet CRY1 på et molekylært niveau ved hjælp af røntgenkrystallografi. De fandt ud af, at en del af disse forbindelser, kendt som benzophenon, besad en lignende struktur som cis -isomeren af ​​azobensen, en lysaktiveret kontakt. Da de derefter analyserede reaktionen på lyset fra GO1323, en variant af TH129, hvor benzophenon fortrænges af azobensen, de fandt ud af, at dens struktur ændrede sig til cis -isomeren under ultraviolet lys, og tilbage til trans -isomeren under hvidt lys. Ifølge computersimuleringer, cis -isomeren af ​​GO1323 interagerer identisk med TH129 med CRY1, mens trans -isomeren ikke har nogen interaktion med den.

Dermed, når de udsættes for ultraviolet lys, døgnets tidsperiode for dyrkede humane celler, der var blevet behandlet med GO1323, blev forlænget sammenlignet med dem, der var blevet holdt i mørket. Desuden, når det udsættes for hvidt lys, disse cellers cirkadiske urperiode vendte tilbage til normal, beviser, at processen er reversibel. Da ultraviolet lys er skadeligt for celler, forskergruppen måtte finde en måde at tilpasse processen til at bruge et ikke-skadeligt område af spektret til at forlænge perioden. De syntetiserede GO1423, indeholdende tetraorthofluoroazobenzin. Denne forbindelse ændrer sig til sin cis -isomer under grønt lys, og til dens trans -isomer under violet lys, samtidig med at de andre ønskelige egenskaber ved GO1323 bevares. Når celler behandlet med GO1423 blev udsat for grønt lys, deres døgnrytmeperiode blev forlænget i forhold til dem, der var blevet holdt i mørket, og når de udsættes for violet lys, effekten blev vendt. Dermed, det lykkedes forskerne at producere en reversibel metode til styring af døgnrytmeperioden ved hjælp af synligt lys.

Kontrol af døgnrytmen ved hjælp af sådanne metoder forventes at bidrage til behandling af relaterede sygdomme, såsom søvnforstyrrelser, metabolisk syndrom og kræft, og denne forskningsresultat repræsenterer et vigtigt og spændende skridt fremad på området.