周期昼夜节律调节蛋白 2； PER2

PERIOD，果蝇，同源物，2

HGNC 批准的基因符号：PER2

细胞遗传学位置：2q37.3 基因组坐标（GRCh38）：2:238,244,044-238,300,065（来自 NCBI）

▼ 克隆与表达

生物钟在生理和行为上产生昼夜节律。在哺乳动物中，下丘脑前部的视交叉上核（SCN）是主生物钟的所在地。SCN 时钟通过每天的明暗周期来确定 24 小时的一天，光通过直接和间接的视网膜到 SCN 路径发挥作用。Nagase 等人通过筛选人脑 cDNA 中编码大于 100 kD 的蛋白质（1997） 鉴定了 KIAA0347，这是一种 cDNA，编码与果蝇时钟基因“period”（per） 同源的预测的 1,246 个氨基酸蛋白，该基因编码生物钟的一个组成部分。谢尔曼等人（1997） 分离出编码 Per2 的 cDNA，Per2 是 PER2 的小鼠同源物。他们报告说，预测的人类 PER2 蛋白与 PER1（602260） 和小鼠 Per2 分别具有 44% 和 77% 的序列同一性。PER2 包含一个 PAS（PER ARNT-SIM） 蛋白二聚化结构域和 3 个假定的二分核定位结构域。Northern 印迹分析显示，PER2 在所有检查的组织中均以 7 kb mRNA 的形式表达。在一些组织中还检测到了额外的 1.8-kb 转录物。谢尔曼等人（1997） 证明，在小鼠中，Per1 和 Per2 RNA 水平在 SCN 和眼睛中表现出昼夜节律。SCN 中的 Per1 和 Per2 转录本在主观夜间的光照下会增加，但在主观白天则不会。作者得出结论，哺乳动物有一个同源家族，这些基因可能作为生物钟机制的分子组成部分发挥作用。阿尔布雷希特等人（1997） 报道小鼠 Per2 和果蝇 per 蛋白的总体同源性为 53%。

▼ 基因结构

Toh 等人（2001） 确定 PER2 基因包含 23 个外显子。

▼ Mapping

Toh 等人（2001） 通过 BAC 克隆内的物理定位和 FISH 将人类 PER2 基因定位到染色体 2q。

▼ 基因功能

为了研究 NPAS2（603347） 的生物学作用，Reick 等人（2001） 制备了能够条件诱导 NPAS2:BMAL1（602550） 异二聚体的神经母细胞瘤细胞系，并通过代表性差异分析、DNA 微阵列和 Northern 印迹鉴定了假定的靶基因。NPAS2 和 BMAL1 的共诱导激活内源 Per1、Per2 和 Cry1（601933） 基因的转录，这些基因编码昼夜节律调节装置的负激活成分，并抑制内源 BMAL1 基因的转录。对处于 24 小时光暗循环的野生型小鼠额叶皮层的分析表明，Per1、Per2 和 Cry1 mRNA 水平在黑暗期间升高，在光照期间降低，而 BMAL1 mRNA 显示相反的模式。对持续黑暗中的小鼠进行的原位杂交测定表明，在 NPAS2 缺陷小鼠中，Per2 mRNA 丰度不会随着昼夜节律周期而波动。因此，NPAS2 可能是哺乳动物前脑分子钟的一部分。

NPAS2 具有血红素结合基序。血红素通过抑制一氧化碳反应中的 DNA 结合来控制体外 BMAL1-NPAS2 转录复合物的活性。Kaasik 和 Lee（2004） 在小鼠中证明，血红素通过涉及 Npas2 和 Per2 的机制差异调节体内周期基因 Per1 和 Per2 的表达。他们表明，Per2 积极刺激 Bmal1-Npas2 转录复合物的活性，反过来，Npas2 转录调节 δ-氨基乙酰丙酸合酶（ALAS1；125290）。维生素 B12 和血红素竞争结合 Npas2 和 Per2，但它们对体内 Per2 和 Per1 表达具有相反的作用。Kaasik 和 Lee（2004） 证明生物钟和血红素生物合成是相互调节的。

埃切加雷等人（2003） 证明小鼠肝脏核心时钟机制的转录调控伴随着 H3 组蛋白（见 602810） 乙酰化的节律，并且 H3 乙酰化是 Cry 抑制作用的潜在目标。Per1、Per2 和 Cry1 基因的启动子区域在 H3 乙酰化和 RNA 聚合酶 II（参见 180660）结合方面表现出昼夜节律，与相应的稳态 mRNA 节律同步。组蛋白乙酰转移酶 p300（602700） 在体内以时间依赖性方式与 Clock（601851） 一起沉淀。此外，Cry 蛋白抑制 p300 诱导的 Clock/Bmal1 介导的转录增加。埃切加雷等人（2003） 得出结论，相对于 Per 节律，Cry1 mRNA 节律的时间延迟，

为了从系统层面理解调节生物钟的转录回路，Ueda 等人（2005） 在对进化保守的顺式元件的全面监测和转录动力学的测量中，鉴定了 16 个时钟和时钟控制基因上的时钟控制元件。上田等人（2005） 发现 E 框（CACGTG） 和 E-prime 框（CACGTT） 在阻遏子之前控制 Per1（602260）、Nr1d2（602304）、Per2、Nr1d1（602408）、Dbp（124097）、Bhlhb2（604256） 和 Bhlhb3（606200） 转录的表达激活子模式，导致转录活性延迟。RevErbA/ROR（600825） 结合元件调节 Arntl（602550）、Npas2（603347）、Nfil3（605327）、Clock（601851）、Cry1（601933）、Rorc（602943） 也通过抑制子先于激活子模式。DBP/E4BP4 结合元件通过阻遏-反相-激活机制控制 Per1、Per2、Per3（603427）、Nr1d1、Nr1d2、Rora 和 Rorb（601972） 的表达，从而产生高幅度转录活性。上田等人（2005） 认为 E/E-prime 框的调节是哺乳动物生物钟的拓扑脆弱性，这一概念已使用体外表型测定系统进行了功能验证。

Gery 等人使用与雌激素反应元件（ERE） 结合的报告基因测定法（2007） 表明，PER2 表达降低了雌激素激活 MCF-7 人乳腺癌细胞系和其他人雌激素受体 1（ESR1; 133430） 阳性癌细胞系中 ERE 的能力。PER2 诱导的抑制与 ESR1 蛋白不稳定相关。相反，用小干扰RNA沉默PER2可增强ERE报告基因活性，稳定ESR1蛋白，并提高ESR1靶基因的表达。对小鼠和人类 PER2 启动子的分析揭示了保守的 ERE，电泳迁移率变化分析表明雌激素处理的 MCF-7 细胞提取物与该区域结合。MCF-7 细胞中 PER2 的表达降低了它们在塑料上的生长以及它们在软琼脂中的集落形成能力。生长抑制与细胞凋亡相关。格里等人（2007） 得出的结论是，PER2 参与负反馈回路，该回路减弱雌激素刺激并将昼夜节律周期与雌激素受体信号传导联系起来。

奥尼尔等人（2008） 表明 cAMP 信号传导构成了昼夜节律振荡网络的另一个真实组成部分。他们提出，由转录振荡器驱动的 cAMP 信号的日常激活反过来又维持了转录节律的进展。这样，时钟输出构成后续周期的输入。

陈等人（2009） 表明 Per2（而非 Cry1）的组成型过度表达严重扰乱了小鼠胚胎成纤维细胞和小鼠肝脏的昼夜节律。Per2在转基因小鼠大脑和SCN中的组成型表达以有条件且可逆的方式导致行为昼夜节律完全丧失。陈等人（2009） 得出结论，PER2（而不是 CRY1）的节律水平对于细胞和完整生物体的昼夜节律振荡至关重要。他们假设 PER2 直接有节奏地与 CLOCK-BMAL1 结合，并将 CRY 与 CLOCK-BMAL1 桥接以驱动昼夜节律负反馈回路。

在哺乳动物中，PERIOD（PER1；602260 和 PER2）和 CRYPTOCHROME（CRY1；601933 和 CRY2；603732）蛋白积累，形成大型核复合物（PER 复合物），并抑制自身转录。帕德马纳班等人（2012） 发现小鼠 PER 复合物包括 RNA 解旋酶 DDX5（180630） 和 DHX9（603115）、活性 RNA 聚合酶 II 大亚基（180660）、Per 和 Cry 前 mRNA 以及 SETX（608465）（一种促进转录终止的解旋酶）。在昼夜节律负反馈期间，RNA 聚合酶 II 在 Per 和 Cry 基因的终止位点附近积累，但不在对照基因上积累。将 PER 复合物募集到 Per 和 Cry 终止位点的延伸聚合酶上会抑制 SETX 作用，阻碍 RNA 聚合酶 II 释放，从而抑制转录重新启动。

▼ 分子遗传学

Toh 等人（2001） 在患有家族性晚期睡眠阶段综合征 1（FAPSS1; 604348） 的大谱系受影响成员中发现了 PER2 基因的突变（S662G; 603426.0001）。该突变位于 PER2 的酪蛋白激酶 I-ε（CSNK1E；600863） 结合区域内，并导致体外酪蛋白激酶 I-ε 低磷酸化。

▼ 动物模型

郑等人（1999） 在小鼠 Per2 基因的 PAS 结构域中产生了一个缺失突变体。这种缺失的纯合小鼠表现出较短的昼夜节律周期，随后在持续的黑暗中失去昼夜节律。该突变还减少了视交叉上核（SCN） 中 Per1（602260） 和 Per2 的振荡表达，表明 Per2 可能在体内调节 Per1。

冈村等人（1999） 证明，在缺乏 Cry1（601933） 和 Cry2（603732） 的小鼠中，视交叉上核和外周组织中 Per1 和 Per2 的循环表达被消除，并且 Per1 和 Per2 mRNA 水平持续较高。Cry 双突变小鼠保留了由短暂光刺激诱导的 Per1 和 Per2 表达的能力，已知该光刺激可改变野生型动物的生物钟。

谢尔曼等人（2000） 证明，在小鼠中，主生物钟的核心机制由相互作用的正负转录和翻译反馈环组成。对 Clock/Clock（601851） 突变小鼠、Per2 纯合突变小鼠和 Cry 缺陷小鼠的分析显示，Bmal1（602550） 节律发生显着改变，这与 Per2 在 Bmal1 环的正向调节中的主导作用一致。Cry 对 Clock:Bmal1 介导的转录抑制的体外分析表明，这种抑制是通过直接的蛋白质-蛋白质相互作用实现的，与 Per1 和 Tim（603887） 蛋白质无关。Per2是Bmal1循环的正调节因子，Cry1和Cry2是Period和Cryptochrome循环的负调节因子。

郑等人（2001） 使用胚胎干细胞技术培育出 Per1 基因无效突变的小鼠。纯合 Per1 突变体表现出较短的昼夜节律周期，但精度和稳定性较低。Per1 和 Per2 均缺乏的小鼠没有表现出昼夜节律。作者表明，虽然 Per2 在转录水平调节时钟基因表达，但 Per1 对于 Per1 和 Per2 的节律性 RNA 表达是可有可无的，并且可能在转录后水平调节 Per2。对时钟控制基因的研究揭示了 Per1 和 Per2 的复杂调节模式，表明这 2 种蛋白质对某些输出途径的孤立控制。编码血红素生物合成关键酶的基因被发现处于昼夜节律控制之下，并受到 Per1 和 Per2 的调节。一起，

傅等人（2002） 报道称缺乏 Per2 基因的小鼠容易患癌症。伽马辐射后，这些小鼠的肿瘤发展显着增加，胸腺细胞凋亡减少。野生型小鼠的核心昼夜节律基因是由辐射诱导的，但 Per2 突变型小鼠则不然。Per2 突变小鼠中参与细胞周期调节和肿瘤抑制的基因的时间表达失调，例如细胞周期蛋白 D1（168461）、细胞周期蛋白 A（123835）、Mdm2（164785） 和 Gadd45-α（126335）。特别是，Myc（190080） 的转录被发现直接受昼夜节律调节因子控制，并且在 Per2 突变小鼠中被解除调节。作者得出结论，PER2 基因通过调节 DNA 损伤响应途径发挥肿瘤抑制作用。

为了评估小鼠 Per 基因在生物钟重置中的作用，Albrecht 等人（2001） 培育出携带突变 Per2 基因的小鼠。他们得出的结论是，哺乳动物的 Per 基因不仅是昼夜节律振荡器的光响应成分，而且还参与生物钟的重置。

Bae 等人使用基因打靶（2001） 破坏小鼠体内的 Per2。纯合突变小鼠在长时间暴露于持续黑暗的情况下，其运动活动节律受到严重破坏。Bae 等人使用原位杂交（2001） 检测到 Per2 突变小鼠的 SCN 中时钟基因 RNA 节律减弱，并假设 Per2 是昼夜节律基因表达的正调节因子。Per1/Per2 双突变小鼠立即出现心律失常，表现出比任一单基因敲除小鼠更严重的表型。这些发现表明 Per2 正向调节节律基因表达。裴等人（2001） 的结论是，尽管 Per1 和 Per2 的产物之间存在部分补偿，但 3 个 Per 基因中的每一个都在 SCN 昼夜节律中具有独特的功能。

Spanagel 等人在 Per2 蛋白 PAS 结构域缺失的小鼠中（2005） 观察到谷氨酸能系统的变化，谷氨酸转运蛋白 Eaat1（SLC1A3; 600111） 的表达降低，导致星形胶质细胞对谷氨酸的摄取减少，突变小鼠大脑细胞外空间的谷氨酸水平增加。突变小鼠还表现出酒精摄入量增加。阿坎酸是一种用于预防酗酒患者的渴求和复发的药物，可降低突变小鼠的谷氨酸水平，并使饮酒量正常化。斯潘格尔等人（2005） 得出结论，谷氨酸是 PER2 功能障碍和酒精摄入增加之间的联系。

在 Wistar 大鼠中，Lamont 等人（2005） 分析了 Per2 在已知参与情绪调节的边缘前脑 3 个区域、杏仁核中央核（CeA）、基底外侧杏仁核（BLA） 和齿状回（DG） 中的表达。所有 3 个区域的细胞均表现出受 SCN 控制的 Per2 表达的日常节律，但 CeA 中的节律与 BLA 和 DG 的节律完全相反。肾上腺切除术废除了 CeA 中的 Per2 节律，但对 BLA 和 DG 中的 Per2 节律没有影响。拉蒙特等人（2005） 得出的结论是，边缘前脑的关键结构表现出 PER2 表达的日常波动，这种波动不仅受到 SCN 输入的控制，还受到通常伴随动机和情绪状态的激素和神经化学变化的控制，

在雌性大鼠中，Perrin 等人（2006） 发现 Per2 表达的日常节律在发情周期的发情后期和发情间期在前脑边缘的 2 个核内减弱：终纹床核的卵圆核和杏仁核的中央核。在视交叉上核、齿状回或基底外侧杏仁核中没有观察到类似的变化。卵巢切除术消除了周期这些阶段 Per2 节律的钝化，并通过阶段性雌激素替代恢复，这表明雌激素水平的波动或其后遗症是产生这些作用所必需的。研究结果表明，生殖周期的阶段对大脑内时钟基因的振荡有着深远的影响。

Vanselow 等人使用质谱法（2006） 鉴定了小鼠 Per2 中的 21 个在活细胞中被磷酸化的残基，包括 ser659，其对应于 FASPS 中突变的人 PER2 的 ser662 残基（参见 603426.0001）。振荡成纤维细胞中 FASPS 突变 Per2 的表达导致 FASPS 患者出现短期和晚期表型。范塞洛等人（2006）证明ser659的磷酸化导致Per2的核保留和稳定，而ser659的突变导致Per2的加速核清除。数学模型预测不同的 PER 磷酸化事件可能导致相反的周期表型，对振荡成纤维细胞的研究证实，干扰 Per2 磷酸化的特定方面会导致周期缩短或延长。范塞洛等人（2006） 得出的结论是，这个概念不仅解释了 FASPS 表型，还解释了仓鼠中 tau 突变和果蝇中双倍突变的影响（参见 CSNK1E；600863）。

徐等人（2007） 发现带有人类 S662G 突变的转基因小鼠重现了人类 FASPS 表型。功能研究表明，ser662 的磷酸化在 CSNK1E 通过级联磷酸化（需要 ser662 的启动事件）调节 PER2 中发挥着关键作用。这种磷酸化导致 PER2 转录增加和细胞核中蛋白质的积累。改变 CSNK1E 剂量可调节 S662G 表型，但不会调节野生型 PER2。进一步的研究表明，CSNK1E 对 PER2 上另一个位点的磷酸化以 PER2 为目标进行降解，表明 CSNK1E 调节 PER2 的周期性。

程等人（2009） 对 2 种小鼠转基因荧光时钟报告基因、小鼠 Per1（602260）-Venus 和小鼠 Per2-DsRED 进行了功能表征。视交叉上核（SCN） 的成像揭示了 Per1 和 Per2 表达的振荡以及光诱导性。在不同的 SCN 细胞群中观察到有节律的 Per1 和 Per2 表达，表明存在离散的细胞 SCN 时钟。在 SCN 之外，Per1 表达广泛表达于神经元和非神经元群体中。相反，Per2 在神经胶质细胞群和齿状回祖细胞中表达；在神经元中检测到有限的表达。程等人（2009） 假设中枢神经系统拥有机械上不同的神经元和非神经元细胞时钟亚群。

Janich 等人使用生物钟报告小鼠模型（2011） 表明，休眠的毛囊干细胞生态位包含处于时钟相反阶段的共存细胞群，这些细胞对稳态信号的反应倾向不同。核心时钟蛋白 Bmal1（602550） 以振荡方式调节干细胞调节基因的表达，以创建易于或不易激活的细胞群。通过删除 Bmal1 或 Per1/2 来破坏这种时钟平衡，分别导致休眠干细胞的逐渐积累或耗尽。干细胞心律失常还导致表皮过早衰老，并减少鳞状肿瘤的发展。贾尼奇等人。

▼ 等位基因变异体（1 个选定示例）：.

0001 高级睡眠阶段综合征，家族性，1（1 个家族）
PER2，SER662GLY
在一个 4 代谱系分离常染色体显性家族性晚期睡眠阶段综合征 1（FASPS1；604348） 中，Toh 等人（2001） 在 PER2 基因的外显子 17 中发现了一个复杂的带型。对受影响个体的该外显子进行测序揭示了 4 个碱基变化。其中三个变化，即核苷酸 2078 处的 A-to-G 取代、核苷酸 2114 处的 A-to-G 取代和核苷酸 2117 处的 A-to-G 取代，发生在摆动位置，因此是同义突变。然而，在 92 名对照个体中并未发现一种变化，即 2106A-G 转变，导致 Ser662 到甘氨酸（S662G） 的取代。在该家族中，S662G 变化与 FASPS 表型共分离，但在标记等位基因与染色体 2q 不连锁的小分支中除外。