A wide range of organisms, from bacteria to humans, manifest circadian rhythms in biochemical, physiological, and behavioral phenomena. Recent progress had been made by using Drosophila model system, and several transcription factors began to be known for playing a central oscillator mastering daily rhythms of the organism. However, the mechanisms through which output from the circadian clock controls rhythmic behavior are poorly understood. Here I describe the characteristics of the newly identified Drosophila gene, han, that encodes GPCR. han alleles were originally isolated for a P-insertion mutant that preferred different temperatures during the day and night. In situ histochemistry and immunohistochemistry reveal that han is expressed in 13 pairs of circadian clock neurons including ventro-lateral neurons(LNvs), which are known to be important for downstream effect of central oscillator. In addition to the altered temperature preference compared with wild type
flies, the flies mutated in han show abnormal circadian locomotor behavior in 12 hour light-dark cycles and rapidly loose their rhythmicity in constant dark condition. The behavioral characteristics of han null mutants and han/pdf double mutants were similar to those of pdf null mutants, suggesting that Han and PDF lie in same circadian output signaling pathways. I also found that PDF binds specifically to S2 cells expressing Han and results in the elevation of cAMP synthesis. Therefore it is proposed that that Han is a PDF receptor regulating circadian behavioral rhythm through coordination of activities of clock neurons. Further investigating any specific interaction with other known circadian clock factors, I found that han/cry double mutant shows abnormal morning and evening peak in circadian locomotor behavior, not observed in either han or cry single mutant. Closer examination of each morning and evening clock neurons reveals that core central clock proteins, Per and Tim, in evening clock neurons do not properly oscillate and synchrony of oscillation between morning and evening clock are severely disrupted. These reveal the unexpected role of CRY and PDF-Han in mediating the proper functions of morning and evening oscillators.
많은 동물들이 세포 생리학적인 상태에서부터 실제 행동에 이르기까지 다양한 형태로 생체리듬을 보인다. 이 생체리듬은 하루 낮밤의 변화나 온도변화 와 같은 외부자극에 의해 가소성 있게 만들어지고 이런 리듬은 생체내 존재하는 유전자의 주기적 활성에 의해 지배를 받는다. 그러한 유전자의 주기적 활성에 의해 생물체는 환경의 변화에 대비하게 되고 적응하게 된다. 이러한 리듬을 관장하는 대표적인 유전자로 per, tim, clk, cyc 등이 알려져 있고 그 외 이들 유전자와 상호작용하는 신경펩타이드호르몬인 PDF 와 같은 유전자들이 속속들이 알려지고 있다. 우리는 비정상적인 온도선호도를 보이는 대량의 돌연변이 초파리를 검색하면서 밤과 낮에 각기 다른 온도선호도를 보이는 돌연변이 초파리를 찾았고, 이 초파리를 분석한 결과 아직까지 알려져 있지 않은 새로운 유전자에 돌연변이가 생겼음을 발견했다. 이 유전자는 G 단백질과 연결된 수용체로 역할을 하며 우리는 이 유전자 이름을 han이라 명명하였다. 이 돌연변이 초파리는 생체리듬을 관장하는 신경세포의 13쌍에 특이적으로 발현하였고, 이 han 유전자가 완전히 기능이 없어진 돌연변이 초파리의 경우 야생초파리와는 달리 암흑 속에서 주기적인 운동을 보이지 않았다. 또한 좀더 세밀한 관찰결과, 암흑 속에서의 돌연변이 초파리의 특징적인 움직임이 기존에 알려진 pdf 유전자 돌연변이 초파리와 매우 유사하였고, han유전자와 pdf 유전자가 모두 돌연변이가 일어난 초파리의 움직임도 han 유전자나 pdf 유전자만 돌연변이 된 초파리와 크게 다르지 않았다. 또한 PDF신경펩타이드호르몬이 han 단백질을 발현하는 초파리 S2 세포에만 특이적으로 붙었고, 그로 인해 세포 안의 cAMP 분자량이 급격하게 증가하는 것을 관찰하였다. 이를 종합해 볼 때 han 단백질은 PDF 신경펩타이드호르몬의 수용체로 작용하여 생체리듬유전자 사이의 기능을 제어하여 개체 내의 생체리듬을 조절한다고 결론을 내린다.
