Jay Dunlap

Jay Dunlap
Född 9 maj 1952
Ludlow, Massachusetts
Alma mater
University of Washington , BS & BS 1974 Harvard University AM 1975 Harvard University PhD 1979 University of California, Santa Cruz PPhD 1979-1983
Känd för
Neurospora cirkadiska rytmer
Utmärkelser
Honma International Prize for Biological Rhythms Research (1991) , Genetics Society of America Robert L. Metzenberg Award (2005) George W. Beadle Medal, Genetics Society of America (2009) , AAAS Fellow (2010) , Fellow vid American Academy of Microbiology (2010) , National Academy of Sciences (2009)
Vetenskaplig karriär
Fält Biokemi , Genetik , Kronobiologi
institutioner Institutionen för genetik, Dartmouth Medical School
Hemsida geiselmed .dartmouth .edu /dunlap

Jay Dunlap är en amerikansk kronobiolog och fotobiolog som har gjort betydande bidrag till området kronobiologi genom att undersöka de underliggande mekanismerna för dygnsrytmsystemen i Neurospora , en svamp som vanligtvis används som modellorganism inom biologi, och i cellodlingsmodeller för möss och däggdjur. Viktiga bidrag från Jay Dunlap inkluderar hans arbete med att undersöka rollen av frq- och wc -klockgener i dygnsrytm, och hans ledarskap i att koordinera hela genomets knockout-samling för Neurospora . Han är för närvarande Nathan Smith professor i molekylär och systembiologi vid Geisel School of Medicine i Dartmouth . Han och hans kollega Jennifer Loros har handlett många studenter och postdoktorer, av vilka många för närvarande innehar positioner vid olika akademiska institutioner.

tidigt liv och utbildning

Född i Ludlow, Massachusetts den 9 maj 1952, växte Jay Dunlap upp i York, Pennsylvania som det tredje av fyra barn. Dunlap blev intresserad av biokemisk oceanografi under ett sommarprogram på gymnasiet och bestämde sig för att fortsätta detta intresse på college. Han tog examen med en BS i oceanografi och en BS i kemi från University of Washington 1974.

Dunlap planerade ursprungligen att ägna sig åt oceanografi i sina forskarstudier. Men efter att ha träffat John Woodland Hastings , som studerade den dygnsrytmiska regleringen av bioluminescens i marina organismer, bestämde Dunlap sig för att studera biologi i forskarskolan vid Harvard University . Medan han studerade med Hastings bytte Dunlap sitt studieområde till dygnsbiologi .

Karriär och forskning

För sitt postdoktorala stipendium gick Dunlap på University of California, Santa Cruz och började arbeta med Jerry Feldman, som framgångsrikt hade isolerat klockgenmutanter i Neurospora som har onormalt långa eller korta dygnspendlingsperioder . Dunlap kunde inte klona frekvens , en gen som har en viktig roll i transkriptions-translation negativ feedback-loop (TTFL ) som driver dygnsrytmer i Neurospora , eftersom Santa Cruz-labbet inte hade de molekylära verktyg som krävs för att studera Neurosporas molekylära biologi grundlig. Dunlap lärde sig grundläggande molekylära tekniker när han arbetade tillsammans med andra biologistudenter i andra labb. Vid ett tillfälle arbetade Dunlap med Harry F. Noller , en känd biokemist vars labb hade "inofficiellt adopterat" Dunlap.

1984 säkrade Dunlap en juniorfakultetstjänst vid institutionen för biokemi vid Geisel School of Medicine i Dartmouth . Han blev professor i biokemi 1994 innan han utsågs till invigningsordförande för institutionen för genetik 1999. 2010 utsågs Dunlap till Nathan Smith professor och 2016 utsågs han till inledande ordförande för institutionen för molekylär- och systembiologi som subsumerade Genetik och andra avdelningar.

I nära samarbete med Jennifer Loros laboratorium har Dunlaps forskning främst fokuserat på den molekylära basen för dygnsrytmer med hjälp av Neurospora som ett modellsystem för att ytterligare förstå däggdjurens dygnsklocka. Även om klockgenmutationer också identifierades i Drosophila och Chlamydomonas , studerade Dunlap Neurospora i sitt postdoktorala arbete, eftersom ett bredare utbud av biokemiska och genetiska verktyg var tillämpliga på arten vid den tiden. Neurospora var en enkel modellorganism och ett kraftfullt verktyg för att studera molekylär genetik; dess då okända molekylära klocka gav en stor möjlighet för utforskning.

Identifiera Neurospora klockkomponenter och mekanismer

Baserat på Dunlaps och andras arbete, förstås nu klockgener koda för proteiner som deltar i en självupprätthållande negativ återkopplingsslinga : transkriptionella aktivatorer driver uttryck av specifika klockgen- mRNA , som översätts till klockproteiner, som kommer in i kärnan och verkar att sänka aktiviteten hos de transkriptionsaktivatorer som driver uttrycket av klockgenerna. Men klockgener var ännu inte klonade när Dunlap började sin forskning som biträdande professor 1984. Dunlap förutspådde korrekt att enstaka celler, inklusive däggdjursceller, kan fungera som autonoma oscillatorer med sina egna inneboende dygnsrytmer.

Dunlap dechiffrerade det cirkadiska systemet genom att rama in och ta itu med tre problem i cellulär metabolism:

  1. Hur är klockan sammansatt: vilka är kugghjulen och kugghjulen, hur griper de in, vad reglerar dem och hur reglerar de varandra så att den kollektiva produktionen är en molekylär/biokemisk cykel med alla dygnsegenskaper?
  2. Hur återställer plötsliga och övergående förändringar i miljön , framför allt omgivande ljus eller temperatur, klockans fas och anpassar den inre klockan i en organism med den yttre tiden?
  3. Hur används en intracellulär molekylär cykel för att reglera cellens beteende?

Före antagandet av transkriptionella reportrar såsom luciferas , använde studier av Neurospora dygnsklockan den rytmiska utvecklingen av asexuella sporer (konidier), analyserade med användning av ett rasrör. Konidialproduktionen toppar i den subjektiva natten - en beteendefenotyp som saknar arytmiska stammar. Under sitt examensarbete observerade Jennifer Loros mutant frq 9 som en recessiv, arytmisk och fenotypiskt nollallel vid frq -genen. Hennes observation, kombinerat med förmågan att transformera Neurospora med exogent DNA , gav grunden för en ny strategi för att klona frq , nämligen genom transformationsbaserad räddning av den nollmuterade beteendefenotypen. Genom att använda en dubbelriktad kromosomvandring som börjar vid oli , en gen på samma länkgrupp som frq , gick Dunlap och kollegor över 200 kb över frq . Placeringen av frq verifierades 1986 genom omvandling av kosmider till frq 9 och genom att rädda dygnsrytmen. frq var således den andra klockgenen att klonas, efter Drosophila per . Dessutom sekvenserade labbet manuellt ungefär 9 kb och utförde transkriptkartering på frq genomiska regionen; resultaten publicerades i Nature 1989. I efterföljande arbete visade Dunlap och kollegor att frq uttrycktes rytmiskt och kunde manipulera uttrycket av frq tillräckligt för att skapa en nollmutant . De implementerade ett system där en heterolog promotor - inducerad på ett sätt som inte påverkade klockan - kunde användas för att driva reglerat uttryck av frq . Genom att använda detta system visade de att produkten av frq verkade för att undertrycka sin egen syntes; det var autoreglering . Dunlap och kollegor observerade att det kontinuerliga överuttrycket av frq resulterade i arytmicitet, och de definierade fasen av klockrytmen till att vara den tidpunkt då cellen återgick till normala uttrycksnivåer för frq . De drog slutsatsen, i en Science -artikel 1994, att kärnpacemakern i Neurospora -klockan regleras via negativ feedback av klockproteiner, och frq bestämmer sitt eget uttryck genom autoreglering via negativ feedback, vilket visar att intracellulär, auto-regulatorisk negativ feedback är grunden för en cirkadisk oscillator.

Dunlaps arbete med den autoreglerande mekanismen inkluderade modellering av dygnsklockans negativa återkopplingsslinga och upptäckt av rollerna och kopplingarna mellan aktivatorer (som han identifierade som proteiner med PAS-domäner ) och repressorer (produkter av klockgenerna). Dessutom visade Dunlap rollen av proteinfosforylering i klockmekanismen och har gjort forskning som involverar rollen av dessa proteiner (nämligen kaseinkinas 2 ) på temperaturkompensationsmekanismen. 2009 visade Dunlap och kollegor att FRQ-proteinet är fosforylerat på över 100 platser på ett mycket reproducerbart och tidsspecifikt sätt och att kaseinkinas 2 etablerar och upprätthåller temperaturkompensation inom dygnsklockan. Fyra år senare, 2013, fann Dunlap och kollegor att FRQ är ett Intrinsically Disordered Protein vars stabilitet bestäms av dess interaktion med partnerproteinet FRH. Dessutom upptäckte Dunlap och kollegor att den dagliga fosforyleringen av FRQ styr dess förmåga att interagera med proteinerna i det negativa elementkomplexet. Kinetiken för dessa dygnsprocesser, upptäckte Dunlap, påverkas kraftigt av progressiv fosforylering av FRQ.

Mekanism för indragning

En graf som visar återställningsförmågan hos Neurospora dygnsklockan jämfört med frq mRNA-nivåer

Efter att ha identifierat frq som en klockgen vars produkts överflöd tenderar att vara varierande och rytmisk, visade Dunlap, Loros och kollegor hur miljöreglering av dess uttryck ledde till att förstå den molekylära grunden för dygnsrytmenträngning av ljus: genom induktion av uttryck av frq av ljus.

1995 arbetade Loros och Dunlap för att avslöja den molekylära grunden bakom hur ljus återställer klockan, en mekanism som senare visades i samarbete med Hitoshi Okamura för att bevaras i däggdjur. Den dagliga cykeln i frq- transkriptnivåer, kombinerat med ljusets förmåga att akut inducera frq- uttryck, förklarade ljusåterställning (framsteg och fördröjningar som ses på en fassvarskurva ). Om ljus tillhandahölls och inducerade frq -mRNA när det steg till toppnivåer (sen subjektiv natt), skulle ljus snabbt bringa frq -mRNA- nivåer till toppvärden, vilket resulterade i ett framsteg. Om ljus inducerade frq -mRNA medan dess nivåer föll (tidig subjektiv natt), skulle frq -mRNA snabbt gå tillbaka till toppnivåer vilket orsakade en fasfördröjning. Resultaten av denna undersökning ledde till slutsatsen att ljusinduktionen av frq är ansvarig för de fasspecifika framstegen och fördröjningarna som observerats i Neurospora och gav en allmän förklaring för hur den enkelriktade responsen från en klockkomponent på en omgivningssignal (ljus) kunde resultera i en dubbelriktad tid-på-dygnet specifik klockrespons (framsteg eller fördröjningar): grunden för dygnsrytmen. Dessa experiment ledde så småningom till det universella erkännandet av entrainment via ljusinducerade förändringar i en specifik variabel av den cirkadiska oscillatorn, som senare observerades i Drosophila och däggdjur.

Identifiering av PAS-PAS-heterodimerer som aktivatorer i den cirkadiska återkopplingsslingan

Mekanismen genom vilken frq induceras av ljus var okänd vid den tidpunkt då entrainment förklarades, och studier som syftade till att identifiera de proteiner som är ansvariga för ljusinduktion av frq ledde till identifieringen av White Collar-1 och White Collar-2 som komponenter i det cirkadiska aktivatorkomplexet. Arbete av Giuseppe Macino hade visat White Collar-1 att associera via PAS-domäner med White Collar-2 för att skapa White Collar Complex; Dunlap, Loros och kollegor visade hur detta heterodimera komplex är transkriptionsfaktorn som verkar i mörker för att driva uttryck av frq och därigenom fungerar som aktivatorn i den cirkadiska negativa återkopplingsslingan. Denna observation förknippade specifika biokemiska aktiviteter, DNA-bindning och transkriptionell aktivering, med kända klockproteiner, vilket möjliggör formuleringen av oscillatorn som en transkriptions-translations-negativ återkopplingsloop i ett steg. , visades den första klockgenen för däggdjur ( CLOCK ) koda för ett protein som på liknande sätt har PAS-domäner och, senare, associera via PAS-domäner med ett annat protein, BMAL1, vilket återigen bildar ett heterodimert proteinkomplex som fungerade som ett transkriptionellt aktivator; liknande proteiner identifierades 1998 i Drosophila . Detta bekräftade en vanlig modell för transkriptions-translations-negativa återkopplingsslingor i svampar och djur: ett positivt element som består av två olika proteiner som interagerar via PAS-domäner driver uttrycket av negativa element som FRQ eller PER som, i förening med andra proteiner, undertrycker aktivitet av heterodimera aktivatorer: negativ feedback. Dessa observationer bidrog till att utnämningen av Circadian Rhythms blev första tvåa till Årets genombrott i tidskriften Science 1997.

Identifiering av en cirkadisk fotoreceptor

Förenklad representation av Neurospora dygnsklocka

Även om det fastställdes att heterodimer WC-1 / WC-2- transkriptionsfaktor krävdes för ljusinduktion av frq , trodde forskarna att WC-1 och WC-2 inte hade en direkt roll i fotoreceptionsprocessen . WC-1 / WC-2 transkriptionsfaktor antogs istället vara det slutliga målet för en signaltransduktionskaskad initierad av ljusets verkan på en distinkt blåljusfotoreceptor . 2002 studerade Dunlap och kollegor WC-1 / WC-2 biokemiskt in vitro för att visa att WC-1 band FAD som en kofaktor (även visad oberoende av Yi Liu), och analys av bindning till DNA av WC-1 / WC -2- komplex visade att ljus resulterade i en strukturell förändring i heterodimeren. Dosresponsen och verkansspektrumet för denna in vitro strukturella förändring i WC-1 var FAD -beroende och matchade in vivo dosresponsen och verkansspektrumet för ljusdämpning av dygnsbandning bestämd av Briggs och kollegor 1967. Dessa fynd avslöjade att WC -1 är en fotoreceptor för blått ljus och en dygnsljusfotoreceptor; signaltransduktionskaskaden från fotoreceptor till transkriptionsfaktor sker inom samma protein. WC-1 är grundaren för familjen av blåljusfotoreceptorer som är gemensamma för alla svampar . Cirkadiska fotoreceptorer identifierades senare i djur och gröna växter och visade sig vara olika från WC-1 .

Cirkadisk produktion

1989 ledde Dunlaps arbete med Jennifer Loros till den första riktade screeningen för gener som regleras av dygnsklockan, vilket banade väg för systematisk dissektion av klockutgångsvägar. Termen "klockstyrda gener" (CCGs) myntades i denna studie. CCG definieras som gener vars uttrycksnivå regleras av dygnsklockan men vars aktiviteter inte påverkar klockans funktion. Cirkadisk kontroll av genuttryck anses nu allmänt vara det huvudsakliga sättet genom vilka klockor styr biologin hos cellerna där de verkar. Efterföljande arbete utökade universum av CCGs i Neurospora , och senare i däggdjursceller , och avslöjade sambandet mellan dygns- och cellcykeln där klockan reglerar DNA-skadaresponsen som i sin tur kan reglera klockan. Sökandet efter CCG:er som slutligen kulminerade i den fullständiga beskrivningen av det cirkadiska transkriptomet av Neurospora där så mycket som 40% av genomet kontrolleras dagligen av klockan.

Studier om bioluminescens

Jay Dunlaps doktorandarbete vid Harvard med JW Hastings fokuserade på bioluminescens i den marina organismen Gonyaulax . Deras arbete avslöjade strukturen hos Gonyaulax luciferin . Efter att ha renat luciferas bestämde de att det reglerades genom daglig syntes och destruktion. Detta var ett av de första klockreglerade enzymerna vars regleringsmetod bestämdes under experimentella förhållanden. En del av mekanismen är att Gonyaulax producerar luciferin och luciferas på natten när det utsända ljuset kan ses, medan produktionen av substratet och proteinet minskar i gryningen. Insikten om att en fullständig förståelse av denna biokemiska process också skulle kräva en kombinerad genetisk strategi ledde till att Dunlap började sin studie av den cirkadiska klockan i Neurosporan .

Dunlap och kollegor utvecklade senare bioluminescens som reporter för genuttryck i Neurospora . Före användningen av bioluminescens var den enda analysen för rytmicitet i Neurospora den dagliga cykeln i asexuell utveckling ( konidiation ). Som ett resultat kunde stammar som bär mutationer som stör utvecklingen inte noggrant analyseras för rytmicitet. Dunlap, tillsammans med Jennifer Loros , Arun Mehra och Van Gooch, anpassade eldflugeluciferas för uttryck i Neurospora , vilket i hög grad utökade förmågan att analysera stammar. frq -promotordrivet luciferas är en utsökt känslig reporter för kärnoscillatorn och har använts visar att utvecklingsrytmer som inte kräver frq inte är riktigt dygnsrytm , och att daglig fosforylering av FRQ-protein, men inte daglig omsättning av FRQ-protein, är krävs för att stänga den negativa återkopplingsslingan . Den nya metoden som användes av Dunlap och hans kollegor för att karakterisera och använda luciferasgenen förbättrade uttrycket med 3 log-ordningar och möjliggjorde korrigering av flera fel i Neurospora -litteraturen. Dunlap och Loros samarbetade med Cassius Stevani för att visa att bioluminescens av basidiomyceten (svamp) Neonothopanus gardneri regleras av dygnsrytmer genom reglerat uttryck av luciferaset , luciferinet och ett erforderligt reduktas . N. gardneri finns växande under palmer i Amazonasskogen och den nattliga bioluminiscensen tros användas av svampen för att locka till sig insekter på natten som ett stöd för spridning av sporer.

Tekniska framsteg

Dunlap och hans kollegor har i hög grad bidragit till framsteg i användningen av teknik inom området molekylärbiologi . Dessa metodiska framsteg har haft stora konsekvenser för både svampbiologi och kronobiologi och deras framtida riktningar. Till exempel utvecklade Dunlaps labb den första genersättningen för Neurospora 1991. Dessa teknologier såväl som Dunlaps stöd bidrog i hög grad till sekvenseringen av Neurospora -genomet (som genomfördes 2002). Därefter förbättrade Dunlap och hans team genersättningar. Han gick i spetsen för att slå ut alla 10 000 gener i Neurospora -genomet och konstruktionen av en enkel nukleotidpolymorfismkarta med hög densitet . Slutligen revolutionerade Dunlap rollen för luciferasuttryck genom att undersöka kodonbias och använder dess implikationer i Neurospora och andra organismer.

Nuvarande arbete

Dunlap fortsätter att undersöka dygnsklockan med hjälp av Neurospora och andra organismer, såsom Aspergillus fumigatus . Som ett resultat av Neurospora crassa Genome Project, vars resultat publicerades 2003, och utvecklingen av knockouts för varje gen, som lagras på Fungal Genetics Stock Center , tror Dunlap att den molekylära grunden för den cirkadiska klockan i Neurospora kan vara den första att bli helt förstådd. På grund av den mycket konserverade naturen hos biologiska klockor har klockmekanismer utvecklats relativt få gånger och är lika mellan arter. Kunskap om Neurospora -system kan leda till tillämpningar med relevans för människors hälsa. Den cirkadiska naturen hos cellulära processer hos människor kan utnyttjas för att målinrikta cancerceller mer effektivt och behandla sömnavvikelser.

Dunlap är också intresserad av interaktionen mellan biologiska klockor och metaboliska processer. Medan dygnsrytmer styr aspekter av ämnesomsättningen, kan metaboliska produkter återkopplas till en organisms inre klocka. Denna form av kommunikation kan visa sig vara en adaptiv egenskap hos biologiska klockor och möjliggöra fördelaktiga svar på förändringar i miljön. Dessutom arbetar Dunlap med William Cannon och Jennifer Hurley för att utveckla matematiska modeller som beskriver dygnsklockans funktion. Denna ansträngning kommer att använda sig av statistiska tekniker för att modellera både reaktioner som inträffar i ämnesomsättningen och den totala klockan.

Dunlap har också varit involverad i arbetet med att undersöka det hierarkiska nätverket av transkriptionsfaktorer som styr cirkadisk produktion. Kärnoscillatorn genererar rytmisk aktivitet av den heterodimera dygnsaktivatorn ( WC-1 / WC-2 eller CLOCK/BMAL1), men toppaktiviteten är begränsad till en tid på dagen. Sålunda, i Neurospora skapar kärnoscillatorn som genererar tid rytmisk aktivitet av WC-1 / WC-2- heterodimeren som toppar på morgonen. WC-1 / WC-2 sitter ovanpå ett nätverk av transkriptionsfaktorer där olika nivåer av regulatorer arbetar tillsammans för att fungera som ett dynamiskt filter för tidsinformation, vilket ändrar morgontoppaktiviteten för WC-1 / WC-2 till en signal som kan driva cirkadian genuttryck vid alla tider på dygnet. En del av detta är transkriptionsfaktorn ADV-1. Denna faktor , som finns i Neurospora , reagerar på ljus och reglerar gener involverade i processer som celltillväxt .

Nyligen undersökte Dunlap det evolutionära bevarandet av dygnsklockan bland arter. Specifikt fann han att proteiner som konserverats i biologiska klockmekanismer bland tre arter ( Drosophila melanogaster , Neurospora crassa och Mus musculus ) alla uppvisar höga mängder av inneboende proteinstörningar. Inneboende störda proteiner har inte en stabil sekundär struktur. Under dagen har dessa proteiner olika nivåer av störningar. De förändrade nivåerna av störning möjliggör en stabil dygnsrytm . Dunlap drog slutsatsen att eftersom oordnade proteiner är så bevarade bland olika arter, måste proteinerna vara väsentliga för kontrollen av dygnsrytmerna över arter.

I sitt senaste arbete undersökte Dunlaps labb regulatorer av mRNA som kodar för kaseinkinas 1-proteinet; en sådan regulator är ett RNA-bindande protein translaterat från prd-2- genen. De undersökte två mutationer (skapade genom inversion av en del av prd-2- genen) och fann att dessa mutationer drastiskt påverkade nivåerna av kaseinkinas . Dessa mutationer orsakade dygnsperioder mycket större än 24 timmar. Han och hans kollegor ökade genetiskt kaseinkinas 1 och fann att perioden återställdes när nivåerna av kaseinkinas 1 ökade. De drog slutsatsen att den cirkadiska perioden är beroende av kaseinkinas 1-nivåer.

Privatliv

Under Dunlaps tid i Santa Cruz var en av de biologistudenter han träffade Jennifer Loros . De skapade ett permanent förhållande och gifte sig den 1 september 1984. De har två barn. När han inte forskar tycker Dunlap om trädgårdsarbete.

Medlemskap, utmärkelser och utmärkelser

Medlemskap

Jay Dunlap är för närvarande involverad i följande organisationer:

Tidigare har han medverkat i:

Heder och utmärkelser

Nyckelpublikationer

Forskningsartiklar

Böcker

  • Dunlap, JC, Loros, JJ, & DeCoursey, PJ (2004). Kronobiologi: Biologisk tidtagning. Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-396-9

Andra verk

  • En NPR-artikel från 2015, "Why Some Mushrooms Glow In The Dark", noterar arbete som utförts i Dunlaps labb för att identifiera cirkadiankontroll av bioluminescens i svamp.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Jay_Dunlap&oldid=1139820471 "