KaiA - KaiA

kaiA это ген в кластере генов «kaiABC», который играет решающую роль в регуляции бактериальные циркадные ритмы, например, в цианобактерии Синехококк elongatus.[1] Для этих бактерий регуляция экспрессии kaiA имеет решающее значение для циркадного ритма, который определяет 24-часовой биологический ритм. Кроме того, KaiA работает с отрицательной обратной связью по отношению к kaiB и KaiC. Ген kaiA производит белок KaiA, который усиливает фосфорилирование KaiC, в то время как KaiB ингибирует активность KaiA.[2]

История

Открытие

Циркадные ритмы были обнаружены у множества организмов.[3] Эти ритмы управляют разнообразной физиологической деятельностью и помогают организмам адаптироваться к условиям окружающей среды.[3] Цианобактерии - самые примитивные организмы, демонстрирующие циркадные колебания.[3] Часы с цианобактериями были впервые обнаружены в сине-зеленых водорослях с самыми старыми из известных окаменелостей возрастом около 3,5 миллиардов лет. Сьюзан Голден, Карл Х. Джонсон и Такао Кондо были людьми, которые обнаружили, что минимальные часы цианобактерий состоят из 3 белков: KaiA, KaiB и KaiC.[3] (Примечание: кай на японском означает цикл.)[4]Эксперимент, проведенный Кондо, заключался в прикреплении люцифераза ген и осуществляющий мутагенез. Это была первая идентификация возможных генов, которые могли бы воссоздать биологические часы цианобактерий, среди которых был и KaiA.[5]

Цианобактерии были первыми прокариоты Сообщается, что у него есть циркадные часы.[6] Для адаптации цианобактерий гены циркадных часов имеют большое значение, поскольку они регулируют фундаментальные физические процессы, такие как регуляция азотфиксации, деление клеток, и фотосинтез.[6] Раннее исследование KaiA было проведено в исследовательской статье 1998 года «Экспрессия генного кластера kaiABC как циркадный процесс обратной связи у цианобактерий», в котором подробно описаны функции генного кластера и KaiA в том, что он поддерживает колебания за счет усиления экспрессии Kai C. KaiA был обнаружен при изучении мутаций часов в Синехококк с помощью бактериальной люциферазы в качестве репортера контролируемой часами экспрессии генов. Это был первый случай, когда ученые впервые предложили механизм и систему наименования для KaiA и генного кластера kaiABC.[4]

Известные исследования

Исследователи Масато Накадзима, Кейко Имаи, Хироши Ито, Таэко Нишиваки, Ёрико Мураяма, Хидео Ивасаки, Токитака Ояма и Такао Кондо провели эксперимент «Восстановление циркадных колебаний цианобактериальных KaiC-фосфорилирования, KaiC и KaiCi в Vitro». только в пробирке с АТФ, MgCl2 и буферами.[7] Они использовали радиоактивный АТФ и фосфорилированную форму KaiC, которая работает немного быстрее, чем нефосфорилированный KaiC. Они увидели круглосуточный ритм автогидролиза KaiC. Система также имеет температурную компенсацию и была примечательна тем, что им требовалось всего три белка, включая KaiA, для круглосуточного ритма.

Исследование, опубликованное в статье «Надежные и настраиваемые циркадные ритмы из дифференциально чувствительных каталитических доменов», проведенное Конни Фонг, Джозефом С. Марксоном, Кристал М. Уилхойт и Майклом Дж. Рустом, показывает математическую взаимосвязь KaiA и KaiC, где KaiA стимулирует фосфорилирование KaiC. Кроме того, KaiB изолирует KaiA, что способствует дефосфорилированию KaiC.[8]

Кроме того, «Регулирование циркадного ритма фосфорилирования цианобактериальных часового белка KaiC, KaiA и KaiB in vitro» показывает механизм вовлечения клеточных циркадных часов в циркадный ритм в ответ на внутриклеточные уровни KaiA и других белков Kai.[9] Отношения KaiA к KaiB и KaiC выражают циркадный ритм и направляют фосфорилирование KaiC на основе соотношений KaiA, которые могут уноситься в различных условиях света и темноты.

Эволюционная история

Цианобактерии были одними из древнейших организмов на Земле и наиболее успешными с точки зрения экологической пластичности и приспособляемости.[6]Дворник провел филогенетический анализ генов kai и обнаружил, что гены kai имеют разную эволюционную историю, петля обратной связи, в которой находится kaiA, сформировалась около 1000 млн лет назад.[6] Минимальное количество генов kaiA запрещает полную датировку их эволюции.[6] Поскольку они обнаруживаются только у некоторых высших цианобактерий, гены kaiA являются самыми молодыми по сравнению с kaiB и kaiC с эволюционной точки зрения.[6] Synechococcus sp. PCC7942 имеет kaiA, тогда как P.marinus нет, хотя они являются близкородственными одноклеточными организмами, что дополнительно демонстрирует эволюционную молодость гена kaiA.[6] Гены KaiA также обнаруживаются в геномах видов поддерева kaiC в более молодых кладах, чем Прохлорококк.[6] Таким образом, гены kaiA, скорее всего, появились после видообразования Синехококк и Прохлорококк, около 1051 ± 1,16,9 и 944 ± 92,9 млн лет назад.[6]

Гены KaiA расположены только у цианобактерий длиной от нитчатых цианобактерий (Анабаена и Носток) одноклеточным цианобактериям (Synechoccus и Синехоцитыs), которые длиннее на 852–900 п.н.[6] Гены KaiA наименее консервативны среди генов kai.[6] Более короткие гомологи генов kaiA и kaiB соответствуют только 1 сегменту своих более длинных версий ближе к 3’-концу, в отличие от генов kaiC. Это означает, что kaiA и kaiB, скорее всего, не эволюционировали в результате дублирования.[6] В частности, ген kaiA имел только одну копию.[6]

Генетика и структура белка

Статистика KaiA: 284 аминокислоты;[4]Молекулярная масса 32,6 кДа;[4]Изоэлектрическая точка 4,69.[4]

Белки Kai не имеют сходной последовательности с какими-либо белками эукариотических часов, хотя фундаментальные процессы действительно напоминают процессы у эукариотических организмов (например, фаза световой перезагрузки, температурная компенсация, период автономной работы).[10] Гены Kai обнаружены почти у всех цианобактерий.[10] Уильямс обнаружил, что 6 аннотированных геномов цианобактерий имеют 2 смежных ORF, поддерживающих гомологию с С. удлиняется kaiB и kaiC гены.[10] Из этих ассоциаций последовательностей различимы только четыре гена kaiA, что делает его наиболее диверсифицированным по последовательности из генов kai.[10] В Synechocystis sp. В геноме штамма PCC 6803 имеется только один ген kaiA, тогда как в геноме kaiB и kaiC обнаружено несколько.[10] Гомологи KaiB и kaiC можно найти у других эубактерий и архей, но kaiA, по-видимому, можно найти только у цианобактерий (в настоящее время единственные прокариоты с 24-часовой биологической осцилляцией).[10]

KaiA Три функциональных области:

1) N-концевой домен (амплитуда-усилитель)[11]

2) Центральная область регулятора периода[11]

3) C-терминальный домен тактового генератора[11]

С-концевой домен способствует образованию димера, позволяя, таким образом, KaiA связываться с KaiC. Это дополнительно усиливает фосфорилирование KaiC.[11] (см. функции ниже)

В центре вогнутой части KaiA находится остаток His270, который важен для функции KaiA.[11]

Мутации

При прямом секвенировании кластера обнаружены 3 мутации 19 мутантов (одиночные замены аминогруппы), обнаруженные в kaiA.[4] Таким образом, кластер, а также белки Kai выполняют необходимые функции для циркадных часов Синехококк.[4]IPTG-индуцированная сверхэкспрессия kaiA приводит к аритмичности, демонстрируя, что ритмичность требует экспрессии kaiA, а также других генов.[4] Мутагенез kaiA показывает, что короткопериодические мутации встречаются редко, но очень много длиннопериодных.[3] В частности, Нисимура обнаружил, что существует 301 длиннопериодная мутация, 92 аритмических мутанта и только одна короткопериодическая мутация.[3] Таким образом, Нисимура пришел к выводу, что мутации kaiA обычно приводят к удлинению периода.[3] Исключение составляет мутант F224S, у которого короткий период 22 ч был обнаружен в KaiA.[3] Периоды мутантов KaiA составляли до 50 часов, в течение которых некоторые мутанты демонстрировали аритмичность.[3] Мутации KaiA, по-видимому, выборочно изменяют продолжительность периода, демонстрируя, что kaiA может регулировать период.[3] Кроме того, белки kaiA могут регулировать продолжительность периода циркадных колебаний независимо от того, был ли активирован kaiBC или нет.[3] Длительные периоды были вызваны мутацией внутри kaiA, а также снижением экспрессии kaiBC.[3]

Было обнаружено, что KaiA усиливает экспрессию kaiBC.[4] Предполагается, что некоторые мутантные белки kaiA не способны поддерживать ритмичность из-за отсутствия активации экспрессии kaiBC.[3] Нисимура обнаружил, что большинство мутаций KaiA снижает активность PkaiBC до различных уровней.[3] Это согласуется с открытием, что белки kaiA усиливают активность kaiBC.[3] Его эксперимент также показал, что kaiA является частью механизма сброса фазы цианобактериальных часов.[3] Мутации, которые отображаются в кластерных регионах kaiA, приводят к долгопериодным фенотипам, таким образом подтверждая, что кластерные области kaiA играют роль в регулировании продолжительности периода циркадных колебаний. Области KaiA, которые увеличивают экспрессию kaiBC (с учетом ритма), скорее всего, не находятся в кластерных областях, потому что аритмические мутанты (C53S, V76A, F178S, F224S, F274K) были сопоставлены с разными частями kaiA.[3] Уильямс предположил, что KaiA135N является псевдоприемным доменом и представляет собой устройство ввода времени, которое контролирует стимуляцию KaiA аутофосфорилирования KaiC, что имеет решающее значение для циркадных колебаний.[10]

Типы белков KaiA

По-видимому, существуют длинные и короткие типы белков kaiA.[10] Длинный тип, собранный из S.elongatus, Synechocystis sp. Штамм PCC 5803 и Синехококк sp. Штамм WH8108 имеет около 300 аминоацильных остатков.[10] Высокая степень консервативности наблюдается в 100 карбоксильных концевых остатках.[10] Независимые карбоксиконцевые домены являются короткими версиями нитчатых видов. Анабаена sp. Штамм PCC 7120 и Nostoc punctiforme.[10] Существует два независимо свернутых домена белка kaiA: KaiA180C (аминоконцевой с в основном альфа-спиральной структурой) и домен KaiA189N (концевой карбоксильный домен, соответствующий остаткам 1-189).[10] Белок S. elongates kaiA, по-видимому, имеет два домена, амино и карбоксильную область, соединенные спиральным линкером из примерно 50 остатков.[10]

Функция

Цианобактерии демонстрируют систему циркадных часов, в которой три белковых осциллятора, KaiA, KaiB и KaiC, составляют систему, известную как посттрансляционный осциллятор (PTO), которая способствует колебаниям более крупной петли отрицательной обратной связи трансляции транскрипции (TTFL).[12] TTFL управляет экспрессией генов и пополняет KaiA, KaiB и KaiC, в то время как PTO составляет ядро ​​циркадных часов цианобактерий.[12] Это ядро ​​Кая придает циркадную ритмичность Гидролиз АТФ деятельность и киназа /фосфатаза Мероприятия,[13] оба имеют температурную компенсацию.[14] Кроме того, у KaiB и KaiC, но не у KaiA, суточный ритм составляет 24 часа в экспериментальных условиях, например, при свободном беге в условиях постоянного освещения.[12]

Осцилляция фосфорилирования

Белки Kai, которые составляют PTO, генерируют циркадные часы осциллирующего фосфорилирования / дефосфорилирования с периодом около 24 часов.[2] Белок KaiC - это фермент с двумя специфическими участками фосфорилирования, Треонин 432 и Серин 431, которые выражают ритмичность фосфорилирования / дефосфорилирования в зависимости от активности KaiA и KaiB.[12] KaiA стимулирует фосфорилирование KaiC до тех пор, пока KaiB не блокирует KaiA, инициируя дефосфорилирование в определенной последовательности на треонине 432 и серине 431: KaiA стимулирует аутофосфорилирование KaiC на треонине 432, а серин 431 затем следует этому механизму фосфорилирования.[2] Когда и треонин 432, и серин 431 фосфорилируются, KaiB связывается с KaiC, и этот комплекс, KaiBC, затем блокирует действие KaiA.[2] KaiB может выполнять это изолирующее действие только при наличии KaiA, и когда это действие происходит, KaiA не может активировать KaiC для автофосфорилирования.[2] Сначала дефосфорилируется треонин 432, затем дефосфорилируется серин 431, после чего KaiA стимулирует фосфорилирование сайтов KaiC, и колебательная система запускается заново.[12]

Осцилляция АТФазы

Эти циркадные колебания, связанные с активностью киназ и фосфатаз, находятся в прямой зависимости от АТФаза Мероприятия.[15] В начальных фазах колебаний, когда KaiC не образует комплексов ни с KaiA, ни с KaiB, внутренняя постоянная скорость гидролиза АТФ контролирует уровни АТФ. KaiA и KaiC связываются, образуя комплекс KaiAC, который стимулирует аутофосфорилирование KaiC.[2] Это результирующее фосфорилирование стимулирует гидролиз АТФ.[15] Затем белок KaiC достигает состояния гиперфосфорилирования после этого связывания KaiA. В этот момент гиперфосфорилирования KaiB связывается с KaiC, и происходит ингибирование гидролиза АТФ.[15] Затем KaiC возвращается в исходное несложное состояние, и скорость гидролиза АТФ снова стабилизируется до собственной скорости.[15]

Взаимодействие KaiA и KaiC

Белки различаются по своим C-концевым доменам, но оба конца облегчают взаимодействие между белками.[2] В Терминал C домен KaiA обеспечивает димеризацию, формируя вогнутую поверхность, которая затем взаимодействует с C-концевым доменом KaiC.[2] Эти C-концевые домены соседствуют с петля для шпильки, или A-петля, которые вместе представляют интерес: когда мутация приводит к потере как A-хвоста, так и C-концевого домена, C-конец может оставаться фосфорилированным в отсутствие KaiA, тем самым сигнализируя о возможной функции А-петли способствует аутофосфорилированию и автодефосфорилированию KaiC.[2]

KaiC имеет 2 C-концевых связывающих домена: CI-область имеет KaiA-связывающий домен CKABD1; Область CII имеет связывающий домен KaiA CKABD2.[16] C-концевой домен CII KaiC поддерживает функцию киназы и фосфатазы, которые регулируются kaiA.[8] KaiA взаимодействует с этим доменом, который формирует тормозную петлю, стимулируя активность киназы CII и инициируя фосфорилирование Ser431 и Thr432, двух соседних остатков CII.[8] Связывание KaiC и KaiA приводит к превращению KaiA в A-петлю, таким образом увеличивая движение области P-петли, области петли, содержащей Thr-432 и Ser-431, и АТФ.[12] Смещение A-петли позволяет освободить соседние петли, дополнительно способствуя фосфорилированию KaiC с помощью KaiA. Доказательством этого является демонстрация того, что один димер KaiA способен толкать KaiC в гиперфосфорилированное состояние.[12] Димеры KaiA обнаруживают 95% ассоциации с гексамерами KaiC, в которых большее количество димеров kaiA участвует во взаимодействии с kaiC.[16] Таким образом, взаимодействие между KaiA и KaiC не является взаимодействием 1: 1.[16] Димеры KaiA, вероятно, гибко связываются и диссоциируют с димерами KaiC, а не образуют стабильный комплекс, тем самым позволяя всем субъединицам KaiC фосфорилироваться в цикле фосфорилирования Kai.[16]

Модель комплексообразования

Биохимическая визуализация показала сборку и разборку различных комплексов Кай, которые образуются во время колебаний циркадных часов.[12] Во время этого процесса KaiA и KaiB связываются с сайтами на KaiC; модель определяет, что KaiC затем становится KaiAC, когда KaiA стимулирует аутофосфорилирование, которое затем трансформируется в KaiBC, KaiABC,[17] а затем возвращается в KaiC по мере продолжения цикла.[2]

Гипотетические модели

«Цианобактерии - это простейшие организмы, которые, как известно, демонстрируют циркадные ритмы».[16] Осциллятор на основе транскрипции-трансляции, другими словами TTO, является предложенной моделью, которая постулирует, что KaiC отрицательно регулирует транскрипцию KaiBC, а KaiA положительно регулирует транскрипцию kaiBC.[16] Белки Kai не регулируют гены, регулируемые циркадным ритмом, но регулируют экспрессию генов в масштабе всего генома в модели цианобактерий TTO.[7] Примером этого является оперон kaiBC.[7] До сих пор неясно, как петля обратной связи транскрипции-трансляции поддерживает периодичность и насколько она гибка при изменении окружающей среды.[7] Поскольку эти белки необходимы для адаптации организма к окружающей среде, понимание генов является обязательным условием циркадной биологии.[7] У цианобактерии Synechococcus elongates (PCC 7942) kaiA, kaiB и kaiC являются необходимыми компонентами, составляющими циркадные часы.[7] Модель цианобактерий TTO сомнительна из-за открытия, что фосфорилирование KaiC осциллирует независимо от транскрипции / трансляции оперона kaiBC.[7] Таким образом, было постулировано, что кардиостимулятор основан на фосфорилировании kaiC, а не на петле обратной связи транскрипции / трансляции.[7] KaiA усиливает аутофосфорилирование kaiC.[7] KaiA и АТФ способствуют фосфорилированию T432.[16] KaiB смягчает эффект kaiA.[7] Таким образом, «автономные колебания фосфорилирования KaiC могут быть вызваны сотрудничеством между kaiA и kaiB».[7]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Джозеф С. Марксон; Эрин К. О’Ши (2009). «Молекулярный механизм циркадного осциллятора на основе белка» (PDF). FEBS Lett. 583 (24): 3938 – pp3947. Дои:10.1016 / j.febslet.2009.11.021. ЧВК  2810098. PMID  19913541.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j Сюдзи Акияма (2012). «Структурные и динамические аспекты белковых часов: как они могут быть такими медленными и стабильными?». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 69 (13): 2147-с. 2160. Дои:10.1007 / s00018-012-0919-3. PMID  22273739.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Хидея Нисимура (2002). "Мутации в KaiA, часовом белке, увеличивают период циркадного ритма у цианобактерий. Synechococcus elongatus PCC 7942 ". Микробиология. 148 (9): 2903-с. 2909. Дои:10.1099/00221287-148-9-2903. PMID  12213935.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я Масахиро Ишиура (1998). «Экспрессия генного кластера kaiABC как циркадный процесс обратной связи в цианобактериях». Наука. 281 (5382): 1519–1523. Дои:10.1126 / science.281.5382.1519. PMID  9727980.
  5. ^ Такао Кондо (1998). «Циркадные часы-мутанты цианобактерий». Наука. 266: 1233–1236. Дои:10.1126 / science.7973706. PMID  7973706.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Владимир Дворник; Оксана Виноградова; Эвиатар Нево (2003). «Происхождение и эволюция генов циркадных часов у прокариот». Proc Natl Acad Sci U S A. 100 (5): 2495–2500. Дои:10.1073 / pnas.0130099100. ЧВК  151369. PMID  12604787.
  7. ^ а б c d е ж грамм час я j k Масато Накадзима (2005). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования KaiC цианобактерий in vitro». Наука. 308 (5720): 414-с. 415. Дои:10.1126 / science.1108451. PMID  15831759.
  8. ^ а б c Конни Фонг; Джозеф С. Марксон; Кристал М. Уилхойт; Майкл Дж. Раст (2012). «Надежные и настраиваемые циркадные ритмы из дифференциально чувствительных каталитических доменов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 110 (3): 1124 – pp1129. Дои:10.1073 / pnas.1212113110. ЧВК  3549141. PMID  23277568.
  9. ^ Масато Накадзима; Хироши Ито; Такао Кондо (2010). «Регуляция циркадного ритма фосфорилирования цианобактериальных часов белка KaiC, KaiA и KaiB in vitro». FEBS Lett. 584 (5): 898 – pp902. Дои:10.1016 / j.febslet.2010.01.016. PMID  20079736.
  10. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Уильямс С.Б. (2007). «Циркадный временной механизм у цианобактерий». Adv Microb Physiol. 52: 229–296. Дои:10.1016 / S0065-2911 (06) 52004-1. PMID  17027373.
  11. ^ а б c d е Узумаки, Тацуя; Фудзита, Масаясу; Накацу, Тору; Хаяси, Фумио; Шибата, Хироюки; Ито, Нориё; Като, Хироаки; Ишиура, Масахиро (30 мая 2004 года). «Кристаллическая структура C-концевого домена часового генератора цианобактериального белка KaiA». Структурная и молекулярная биология природы. 11 (7): 623–631. Дои:10.1038 / nsmb781. PMID  15170179.
  12. ^ а б c d е ж грамм час Мартин Эгли (2014). «Сложные белок-белковые взаимодействия в циркадных часах цианобактерий». Журнал биологической химии. 289 (31): 21267–75. Дои:10.1074 / jbc.R114.579607. ЧВК  4118088. PMID  24936066.
  13. ^ Гоган Донг; Йонг-Ик Ким; Сьюзан Голден (2010). «Простота и сложность механизма циркадных часов цианобактерий». Текущее мнение в области генетики и развития. 20 (6): 619–625. Дои:10.1016 / j.gde.2010.09.002. ЧВК  2982900. PMID  20934870.
  14. ^ Гоган Донг; Сьюзан Голден (2008). "Как цианбактерия определяет время". Текущее мнение в микробиологии. 11 (6): 541–546. Дои:10.1016 / j.mib.2008.10.003. ЧВК  2692899. PMID  18983934.
  15. ^ а б c d Мартин Эгли; Карл Хирши Джонсон (2013). «Наномашина с циркадными часами, работающая без транскрипции и перевода». Текущее мнение в нейробиологии. 23 (5): 732–740. Дои:10.1016 / j.conb.2013.02.012. ЧВК  3735861. PMID  23571120.
  16. ^ а б c d е ж грамм Такао Кондо (2007). «Циркадные часы цианобактерий, основанные на осцилляторе Кая». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. 72: 47-с. 55. Дои:10.1101 / sqb.2007.72.029. PMID  18419262.
  17. ^ Масахиро Ишиура (1998). «Экспрессия генного кластера kaiABC как циркадный процесс обратной связи в цианобактериях». Наука. 281 (5382): 1519–1523. Дои:10.1126 / science.281.5382.1519. PMID  9727980.