Most living organisms have innate biological clock that has evolved to follow the 24-hr rhythm made by the earth’s rotation. Drosophila melanogaster has molecular feedback loops as well as similar network of hormonal and nervous systems commonly shared with mammals. This makes it an excellent model organism for studies in circadian clock and sleep regulation. In this research, we have characterized another circadian rhythm controlling mechanism conserved in both flies and mammals. While screening for post-transcription regulatory genes that influence Drosophila’s rhythmic activity, we discovered that SMG5 and SMG6 play an important role in circadian regulation without affecting the development of neurons. We confirmed that it is their function in nonsense-mediated mRNA decay that regulates flies’ activity. Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) is one of the major mRNA surveillance pathway orchestrated by a number of components, recruited by premature termination codon. Fruit flies lose their rhythmicity when one or more of these components are in insufficient amount or excessively produced. However, neither the expression level nor the oscillation of the key circadian genes was different from those of the flies with normal behavior. This implies that the altered rhythmicity triggered by impaired NMD has no association with the core clock system. Instead, this mRNA degradation pathway affected the level of dCREB2, more specifically of dCREB2-b, and influence flies’ rhythm via output pathway. Expression of normal dCREB2-b restored mutant flies’ rhythmicity.
Nonsense-mediated decay is also responsible for quality control of gene expression under stress conditions in both organismal and cellular level. We have carried out RNA sequencing of the brains of flies sleep-deprived for different lengths of time, and analyzed for most affected functions. We continued to look at the homeostatic sleep phenotype of the flies with defects in genes that were validated to have excessive level change induced by sleep deprivation.
대부분의 생명체는 지구의 자전 주기에 따른 24시간의 생체리듬을 갖도록 진화되어왔다. 초파리는 많은 부분 포유류와 상동성을 지니고 있어서 생체리듬과 수면활동을 연구하는데 좋은 모델동물이 되어왔다. 본 연구에서는 전사 후 조절 시스템이 초파리의 활동 주기에 어떤 역할을 하는지 확인하는 과정에서, SMG5와 SMG6가 초파리의 생체리듬에 한 역할을 담당하고 있음을 발견함으로써 포유류와 상동성을 지닌 또 하나의 조절 기전을 밝혔다. SMG5와 SMG6뿐만 아니라 다양한 넌센스 매개 mRNA분해 요소들 모두 초파리가 규칙적인 리듬을 보이는데 일정부분 기여하고 있었고 이들의 감소 및 증가 역시 생체리듬을 불규칙하게 만드는 요인이 되었다. 이와 같은 분해 기작은 초파리의 활동성에 중추적인 역할을 하는 신경세포들에서 작동하고 있었으나 초파리의 핵심적인 역할을 담당하는 것으로 알려진 유전자들의 발현과는 관계가 없음을 관찰하였다. 더 나아가 넌센스 매개 mRNA분해 기능에 이상이 생기면 dCREB2, 특히 그것의 다양한 아이소형 중dCREB2-b특이적인 이상 발현을 확인함으로써 넌센스 매개 분해가 생체리듬의 아웃풋 경로에 관여함을 규명하였다.
넌센스 매개 mRNA 분해는 스트레스 상황에서 유전자 발현을 조절하는 데에도 작동한다. 이 점에 착안하여, 기계적으로 초파리의 수면을 방해하는 조건에서 유전자의 발현 변화를 살펴보았다. 초파리들의 수면을 방해했을 때 증감하는 유전자들을 RNA시퀀싱 분석을 통해 파악한 후, 주된 변화를 보이는 유전자들에 대해서 유전적 결함이 유도 되었을 때 나타나는 초파리의 수면 양상을 관찰하였다.
