От первобытных часов к циркадным осцилляторам

Nature, том 616, страницы 183–189 (2023 г.) Процитировать эту статью

16 тысяч доступов

1 Цитаты

123 Альтметрика

Подробности о метриках

Циркадные ритмы играют важную роль во многих биологических процессах, и только три прокариотических белка необходимы для формирования настоящего посттрансляционного циркадного осциллятора1. Эволюционная история трех белков Kai указывает на то, что KaiC является старейшим членом и центральным компонентом часов2. Последующие добавления KaiB и KaiA регулируют состояние фосфорилирования KaiC для синхронизации времени. Каноническая система KaiABC у цианобактерий хорошо изучена3,4,5,6, но мало что известно о более древних системах, которые обладают только KaiBC. Однако есть сообщения о том, что они могут иметь базовый механизм измерения времени, напоминающий песочные часы7,8,9. Здесь мы исследуем первичные циркадные часы у Rhodobacter sphaeroides, которые содержат только KaiBC, чтобы выяснить их внутреннюю работу, несмотря на отсутствие KaiA. Используя комбинацию рентгеновской кристаллографии и криогенной электронной микроскопии, мы обнаружили новую додекамерную складку для KaiC, в которой два гексамера удерживаются вместе спиральным пучком из 12 спиралей. Это взаимодействие образуется за счет расширения KaiC на карбокси-конце и служит древней регуляторной группировкой, которая позже заменяется KaiA. Сдвиг регистра спиральной спирали между дневными и ночными конформациями связан с сайтами фосфорилирования через аллостерическую сеть дальнего действия, охватывающую более 140 Å. Наши кинетические данные определяют разницу в соотношении АТФ и АДФ днем ​​и ночью как сигнал окружающей среды, который управляет часами. Они также раскрывают детали механизма, которые проливают свет на эволюцию автогенераторов.

Циркадные часы — это автономные биологические генераторы, которые повсеместно встречаются у прокариотических и эукариотических организмов. У эукариот эти системы сложны и очень сложны, тогда как у прокариот основной механизм регулируется посттрансляционным осциллятором, который может быть восстановлен in vitro с помощью АТФ и трех белков (кодируемых kaiA, kaiB и kaiC)1. Основополагающая работа над системой KaiABC привела к всестороннему пониманию ее циркадных часов. KaiC является центральным компонентом, который аутофосфорилируется путем связывания с KaiA и аутодефосфорилируется после ассоциации с KaiB3,4,5,6. In vitro было показано, что взаимодействие между этими тремя белками представляет собой настоящий циркадный осциллятор, характеризующийся постоянством, перезагрузкой и температурной компенсацией. Следовательно, система KaiABC считается элегантной и простейшей реализацией циркадного ритма. Эволюционная история генов kai установила, что kaiC является старейшим членом, возникшим около 3,5 миллиардов лет назад. Последующие добавления kaiB и совсем недавно kaiA сформировали существующие кластеры kaiBC и kaiABC соответственно2,10. Примечательно, что некоторые исследования более примитивных организмов, у которых отсутствует kaiA, намекнули, что системы на основе kaiBC уже могут обеспечивать базовый механизм учета времени, подобный песочным часам7,8,9. В отличие от автогенераторов, обнаруженных у цианобактерий, такой таймер требует сигнала окружающей среды для управления часами и ежедневного переворота песочных часов. Центральная роль циркадных ритмов во многих биологических процессах, контролируемых дневным и ночным циклом на Земле, делает их эволюцию увлекательной темой.

Здесь мы исследуем такие примитивные циркадные часы посредством биохимических и структурных исследований системы KaiBC пурпурной, несерной фотосинтетической протеобактерии R. sphaeroides KD131 (далее ее компоненты называются KaiBRS и KaiCRS). Организм демонстрирует устойчивые ритмы экспрессии генов in vivo, но является ли kaiBC ответственным за это наблюдение, остается неубедительным в отсутствие нокаута kaiC11. Предыдущее исследование близкородственной бактерии Rhodopseudomonas palustris, в котором использовался нокаутный штамм, продемонстрировало причинно-следственную связь между протоциркадным ритмом фиксации азота и экспрессией гена kaiC9. Здесь, посредством экспериментов in vitro, мы обнаружили, что KaiBCRS представляет собой первичные циркадные часы с механизмом, который отличается от широко изученного циркадного осциллятора Synechococcus elongatus PCC 7942 (далее его компоненты обозначаются как KaiASE, KaiBSE и KaiCSE)3,4 ,5,6. Мы идентифицируем сигнал окружающей среды, который регулирует состояние фосфорилирования и, следовательно, создает 24-часовые часы in vivo как переключение соотношения АТФ-АДФ между днем ​​и ночью. Наши результаты кинетических исследований в сочетании с рентгеновскими лучами и криогенной электронной микроскопией (крио-ЭМ) структур соответствующих состояний раскрывают дальнодействующий аллостерический путь, который имеет решающее значение для функции песочных часов, и проливают свет на эволюцию самоподдерживающихся осцилляторы. Примечательно, что мы находим новую складку белка для KaiCRS и обнаруживаем сдвиг регистров в спирально-спиральном домене, который охватывает около 115 Å в качестве ключевого регулятора в этой системе, что демонстрирует структурное сходство с передачей сигналов динеина12.