שעון ביולוגי וויסות גנים

כמעט כל האורגניזמים החיים, ממיקרואורגניזמים ועד יונקים, מסנכרנים את התהליכים ההתנהגותיים, הביוכימיים והפיזיולוגיים שלהם בהתאם למחזור השמש בן 24 השעות, או השעון הצירקדי.

השעון הצירקדי נשלט בעיקר על ידי מכונות ספציפיות, וביונקים, הגרעין הסופרה-כיאזמטי הקיים בהיפותלמוס פועל כשעון ראשי ושולט במקצבים הצירקדיים בכל הגוף.

עם זאת, לרוב התאים בגוף יש גם שעון ביולוגי פנימי. דפוס מחזורי של ביטוי גנים בתאים אלה מנחה את השעון הצירקדי ברמת האורגניזם.

הגנטיקה הבסיסית של המקצבים הצירקדיים ברמה התאית נחקרה באופן קלאסי בדרוזופילה, שם קבוצה של גנים של שעון מווסתים את השעון הביולוגי של התא באמצעות לולאת משוב שלילי.

במהלך היום, גורמי השעתוק, שעון ומחזור הטרודימרי ומפעילים את השעתוק של גני המטרה שלהם, כולל גן התקופה, הידוע גם בשם פר.

חלבון פר מתערבב עם חלבון אחר שנקרא Timeless, או Tim. עם זאת, שני חלבונים אלה אינם יציבים מאוד בנוכחות אור ולאחר מכן הם מתפרקים על ידי פרוטאזום.

במהלך הערב, קומפלקס פר/טים היציב יכול להצטבר בציטופלסמה של התא ולאחר מכן לעבור לגרעין - שם הוא נקשר לדימר מחזור השעון, ומסיר אותו מהדנ"א - ובכך מעכב את פעילות השעתוק שלו.

בנוסף לוויסות משוב שלילי זה, חלבונים רגולטוריים אחרים בתא משתתפים גם הם באפנון הפעילות של השעון.

לדוגמה, Clockwork Orange הוא מדחיק שעתוק המדחיק יחד עם Per את פעילות השעתוק של מחזור השעון על ידי תחרות על אתר הקישור על DNA.

מכיוון שלשעון הביולוגי תפקיד חיוני בתיאום תפקוד תקין של הגוף, כל הפרעה בו עלולה להוביל למחלות קלות עד קשות, כולל תסמונות מטבוליות ומחלות דלקתיות, כמו גם סרטן.