Paul Hardin (kronobiolog)

Paul Hardin Ph.D
Född	( 1960-09-14 ) 14 september 1960 Hazel Crest , Illinois
Nationalitet	amerikansk
Alma mater	Southern Methodist University Indiana University Brandeis University
Utmärkelser	Aschoff-Honma-priset
Vetenskaplig karriär
Fält	Genetik Kronobiologi
institutioner	Texas A&M University University of Houston
Doktorand rådgivare	William H. Klein
Andra akademiska rådgivare	Michael Rosbash

Paul Hardin (född 14 september 1960) är en framstående vetenskapsman inom området kronobiologi och en banbrytande forskare inom förståelsen av dygnsklockor hos flugor och däggdjur. Hardin fungerar för närvarande som en framstående professor vid biologiavdelningen vid Texas A&M University . Han är mest känd för sin upptäckt av dygnssvängningar i mRNA från klockgenen Period ( per ), vikten av E-Box i per aktivering , de sammankopplade återkopplingsslingorna som styr rytmer i aktivatorgentranskription och dygnsregleringen av lukt i Drosophila melanogaster . Hardin , född i en förort till Chicago , Matteson , Illinois , bor för närvarande i College Station, Texas , med sin fru och tre barn.

Akademisk karriär

Hardin tog sin kandidatexamen i biologi vid Southern Methodist University (SMU) 1982. Han fortsatte sedan att ta en doktorsexamen i genetik från Indiana University 1987 med William H. Klein. Han fortsatte med att bedriva sin postdoktorala forskning vid Brandeis University under ledning av kronobiolog Michael Rosbash . Från 1991 till 1995 arbetade Hardin som professor vid Texas A&M University , och från 1995 till 2005 vid University of Houston . Sedan 2005 har Hardin arbetat som professor och forskare på biologiavdelningen vid Texas A&M University. Han undervisar i kurser i introduktionsbiologi, molekylär cellbiologi och en klass på forskarnivå om biologiska klockor. Han fungerar också som chef för Texas A&M:s Center for Biological Clocks Research och som fakultet för Texas A&M Institute for Neuroscience och PhD-programmet i genetik. Dessutom var Hardin också aktivt involverad i Society for Research on Biological Rhythms ; han var sekreterare 2006, kassör 2010 och president 2016.

Forskning

Upptäckt av per mRNA-cykling

1971 upptäckte Ron Konopka , en genetiker vid California Institute of Technology , Period-genen, som han fann vara involverad i den cirkadiska klockan av Drosophila . 1999 upptäckte Paul Hardin att per mRNA genomgick starka dygnsrytmsvängningar genom att exponera isolerad vildtyp per mRNA för en serie ljus-mörker (LD) cykler följt av cykler av konstant mörker (DD). Som en postdoktor i labbet av kronobiolog Dr. Michael Rosbash , noterade Hardin specifikt att per mRNA-nivåer i Drosophila -hjärnor fluktuerar cirka 10 gånger i en typisk 24-timmars ljus-mörkercykel. Hardin visade vidare att vildtypsprotein, PER, kan rädda rytmicitet i mRNA från en arytmisk mutant av per -genen. Hans resultat antydde att återkoppling av PER-proteinet reglerar nivåerna av per mRNA. Hardin publicerade slutligen sitt avgörande arbete om den rytmiska karaktären av per mRNA i Drosophila i tidskriften Nature . Denna upptäckt ledde till att Hardin och andra framstående medlemmar inom kronobiologin utvecklade en modell som beskriver klockmekanismen i Drosophila . Denna modell kallas Transcription Feedback Loop, vilket antyder att det översatta proteinet ger negativ feedback på mRNA-transkriptionen av sig själv.

E-boxens roll i per aktivering

1997 analyserade Hardin, tillsammans med Haiping Hao och David Allen, sekvensen av per -genen i Drosophila och fann en 69-bp- förstärkare uppströms genen. Denna förstärkarsekvens innehöll en E-box (CACGTG), som fastställdes vara nödvändig för hög nivå per transkription. Eftersom E-boxar vanligtvis är bundna av proteiner som innehåller ett grundläggande helix-loop-helix (bHLH) protein strukturellt motiv , ledde närvaron av en E-box i per till hypotesen att proteinerna involverade i dygnsrytm kan innehålla en bHLH-domän. Detta visade sig vara avgörande för att etablera funktionen hos det tidigare upptäckta CLOCK- proteinet, som var känt för att spela en roll i dygnsrytm och även innehöll en bHLH-domän. Denna upptäckt hjälpte också till att identifiera BMAL1 och CYCLE som kritiska spelare i dygnsrytmen hos däggdjurs respektive Drosophila dygnssystem.

Dygnsrytm i lukt

Medan han undervisade vid University of Houston undersökte Hardin, tillsammans med forskarkollegorna Balaji Krishnan och Stuart Dryer, dygnsrytmer av lukt i Drosophila . Tidigare experiment hade visat att Drosophila -antenner uppvisar dygnsrytm. Mekanismen för dygnsrytmer i antennerna var dock okänd. För att bestämma mekanismen för rytmer i antenner höll Hardin och hans team vildtyps- och mutantflugor, per ⁰¹ och tim ⁰¹ , i 12:12 ljus-mörker (LD) cykler och mätte lukten i antennerna med ett elektroantennogram (EAG) , som mäter den genomsnittliga effekten av en insektsantenn till dess hjärna för en given lukt, under en 24-timmarsperiod. Endast vildtypsflugorna visade rytmicitet i den elektriska aktiviteten, vilket indikerade att dygnsrytmer var närvarande i luktsvaret. Däremot visade mutanterna ingen cyklisk aktivitet. Därför upptäckte Hardins team att dygnsrytmer styr luktsvaret i Drosophila -antenner och hans resultat publicerades så småningom i Nature .

Upptäckt av två sammankopplade återkopplingsslingor i dygnsklockan

Clks specifika roll i de sammankopplade återkopplingsslingorna som finns i Drosophila cirkadiska oscillatorer. Det var tidigare känt att fem gener ( per , tim , dbt , Clk och cyc ) styrde dygnsrytmen i Drosophila . Per - tim- regleringsmekanismen var känd vid denna tidpunkt, även om Clk- regleringen ännu inte var känd.

Hardin och hans team genomförde en serie experiment för att identifiera de två sammankopplade återkopplingsslingorna i den cirkadiska mekanismen hos Drosophila . Det betyder att per - tim återkopplingsslingan ansluter till Clk - cyc återkopplingsslingan, så att den ena slingan påverkar den andra och vice versa. De mätte vildtyps- och mutant Clk- mRNA-nivåer för att identifiera eventuella förändringar i transkriptionsnivåer. De observerade att PER-TIM-komplexet undertrycker transkription. De antog att Clk- repressorn antingen var CLK-CYC-komplexet i sig eller en repressor som aktiverades av CLK-CYC. De observerade att närvaron av aktiv CLK och CYC resulterade i undertryckande av Clk , medan arytmi per mutanter uppvisade låga nivåer av Clk . Dessa bevis fick dem att föreslå följande modell för två sammankopplade återkopplingsslingor:

1. Sent på natten binder PER-TIM-dimerer i kärnan till och binder CLK-CYC-dimerer. Denna interaktion hämmar effektivt CLK-CYC-funktionen, vilket leder till undertryckande av per- och tim -transkription och de-repression av Clk -transkription.
2. När PER-TIM-nivåerna faller tidigt på morgonen frigörs CLK-CYC-dimerer och undertrycker Clk- uttryck, vilket minskar Clk- mRNA-nivåerna vid slutet av dagen.
3. Samtidigt med minskningen av Clk- mRNA-nivåer (genom CLK-CYC-beroende repression) sker ackumuleringen av per och tim mRNA (genom E-box-beroende CLK-CYC-aktivering).
4. Nivåerna av CLK-CYC faller tidigt på kvällen, vilket leder till en minskning av per- och tim -transkription och en ökning av Clk- mRNA-transkription.
5. En ny cykel börjar sedan när höga nivåer av PER och TIM kommer in i kärnan och CLK börjar ackumuleras sent på natten.

2003 upptäckte Hardins team den andra återkopplingsslingan förknippad med dygnsklockan. vrille (vri) och Par Domain Protein 1 ( Pdp1 ) kodar för relaterade transkriptionsfaktorer vars uttryck är direkt aktiverat av dCLOCK/CYCLE. De visar att VRI- och PDP1-proteiner återkopplar och direkt reglerar dClock -uttryck. Således utgör VRI och PDP1, tillsammans med dClock själv, en andra återkopplingsslinga i Drosophila -klockan som ger rytmiskt uttryck av dClock , och förmodligen av andra gener, för att generera exakta dygnsrytmer.

Sammanfattning av större forskningsinsatser

• 1990: PER-protein reglerar rytmisk cykling i per mRNA från Drosophila .
• 1992: PER-proteinreglering av per mRNA sker på transkriptionsnivå.
• 1994: Cirkadiska svängningar förekommer och beter sig olika i olika kroppsvävnader som huvudet , bröstkorgen och buken i Drosophila .
• 1997: E-boxar, och särskilt bHLH-domäner, är viktiga för per aktivering.
• 1997: En sekvens på 69 baspar av per gen bidrar till dygnsrytm i genuttryck .
• 1999: Två sammankopplade negativa återkopplingsslingor, PER-TIM loop och en CLK-CYC loop, reglerar den cirkadiska oscillatorn i Drosophila .
• 1999: Luktresponsen hos Drosophila är rytmisk.
• 2000: PAR-domän är en utdata av dygnsrytmer i Drosophila .
• 2001: Cirkadisk fotoreceptorkryptokrom ( cry ) har en ljusoberoende roll i dygnsrytmsvängningar under vissa omständigheter .

Nuvarande forskning

Hardins nuvarande forskning fokuserar på funktionen av dygnsklockan i Drosophila melanogaster . Ett av Hardins huvudsakliga forskningsämnen är att förstå mekanismen bakom dygnsrytmerna i lukt- och smaksfysiologi . Hans forskning fokuserar också på att förstå rollen av post-translationella regleringsmekanismer i återkopplingsslingan som sätter en 24-timmarsrytm. Slutligen har hans labb arbetat med att identifiera om de förreglade slingorna i återkopplingsmekanismen fungerar som en dygnsrytmoscillator eller en klockutgång. Hans senaste artikel diskuterar bevarandet av transkriptionsfeedbacksslingan i inte bara Drosophila, utan även i andra djurarter.

Heder och utmärkelser

• John W. Lyons Jr. '59 Begåvad ordförande i biologi (2005)
• John och Rebecca Moores professur vid University of Houston (2004)
• Aschoff Honma-priset (2003)