KaiB - KaiB

KaiB
Идентификаторы
ОрганизмSynechococcus elongatus
СимволkaiB
Entrez31251
RefSeq (мРНК)NM_080317
RefSeq (Prot)NP_525056
UniProtP07663
Прочие данные
ХромосомаX: 2.58 - 2.59 Мб

KaiB ген, расположенный в высококонсервативной kaiABC генный кластер различных цианобактериальный разновидность. Вместе с KaiA и KaiC, KaiB играет центральную роль в работе циркадных часов цианобактерий. Открытие генов Kai ознаменовало первую в истории идентификацию циркадный осциллятор в прокариотический разновидность. Более того, характеристика цианобактериальных часов продемонстрировала существование независимых от транскрипции посттрансляционных механизмов генерации ритмов, что ставит под сомнение универсальность модели циркадной ритмичности петли обратной связи транскрипции-трансляции.

Открытие

Прокариотические циркадные ритмы

Циркадные ритмы - эндогенные, увлекаемые колебания в биологических процессах с периодами, примерно соответствующими 24-часовому дню, - когда-то считались исключительным свойством эукариотических форм жизни. Прокариоты считалось, что им не хватало клеточной сложности для поддержания постоянного хронометража с температурной компенсацией. Кроме того, широко поддерживаемый «циркадный» инфрадиан Правило "предусматривало, что клеточные функции могут быть связаны с циркадным осциллятором только в клетках, делящихся только один раз за 24-часовой период. Прокариоты, которые часто подвергаются клеточному делению несколько раз в течение одного дня, не смогли выполнить это условие.[1]

Со временем появилось все больше свидетельств, опровергающих это утверждение. Например, дискретное временное разделение фотосинтез и азотфиксация Наблюдаемые у цианобактерий предполагают существование некоего механизма контроля циркадных ритмов.[2] Наконец, в 1986 году Тан-Чи Хуанг и его коллеги обнаружили и охарактеризовали устойчивые 24-часовые ритмы фиксации азота у Синехококк цианобактерии, демонстрирующие циркадную ритмичность у прокариотических видов.[3][4][5] После этих открытий хронобиологи приступили к определению молекулярных механизмов, управляющих работой цианобактериальных часов.

Открытие цианобактериальных часов

Такао Кондо, Карл Джонсон, и Сьюзан Голден использованный бактериальный люцифераза, репортер для экспрессии гена, на гене psbAI для мониторинга активности этого часового гена, обнаруженного в Синехококк цианобактерии. Преобразование 44-часового мутанта с долгопериодическими часами, C44a, с геномным геномом дикого типа (WT) Библиотека ДНК в плазмидном векторе позволил провести тестирование на «спасательные клоны» с нормальным периодом 25 часов. Когда библиотека ДНК из этого спасенного клона была помещена в плазмиду на исходном сайте, C44a был полностью спасен. Один единственный кластер генов, kaiABC, было установлено, что имеет ритмичный характер, когда фрагмент плазмиды, ответственный за спасение, был секвенирован. kaiABC состоит из трех отдельных генов: kaiA, kaiB, и kaiC. Изучение паттернов спасения у более чем 50 часовых мутантов, показывающих либо короткие периоды, либо длительные периоды, либо аритмию, выявило восстановление фенотипа WT у всех мутантов. Дальнейшее секвенирование выявило 19 всего kaiABC специфические мутанты, 14 из которых имели мутации в kaiC, 3 в kaiA, и 2 в kaiB.[6] Все мутантные фенотипы, вызванные заменой одной аминокислоты в одном из вышеупомянутых генов, определили, что белки Kai играют значительную роль в Синехококк циркадные часы.

Первоначально считалось, что петля обратной связи транскрипции-трансляции необходима для создания циркадных ритмов, поэтому считалось, что kaiABC также будет иметь эту функцию. Однако позже было обнаружено, что ингибирование kaiBC Накопление мРНК с использованием ингибитора транскрипции или трансляции не предотвращает циркадный цикл фосфорилирования kaiC. Таким образом, ритмичность часов цианобактерий не зависит ни от транскрипции, ни от трансляции.[7] Кроме того, были проведены эксперименты для проверки самоподдерживающегося колебания фосфорилирования KaiC, которое важно для регуляции kaiABC кластер генов. Путем инкубации KaiC вместе с KaiA и KaiB, а также ATP был доказан аспект температурной компенсации часов KaiABC. Кроме того, такие циркадные периоды, наблюдаемые у kaiC in vivo мутанты также наблюдались в in vitro штаммы.[8]

Эволюционная история

Цианобактерии - это группа фотосинтезирующих азотфиксирующих бактерий, которые, как известно, были одной из первых форм жизни на Земле и, как полагают, возникли по крайней мере 3500 миллионов лет назад (Mya). Это единственные известные прокариоты, осуществляющие окислительный фотосинтез.[9] Цианобактерии используют циркадные часы для регулирования азотфиксации, деления клеток и других метаболических процессов. Подавляющее большинство генов цианобактерий экспрессируются циркадным образом, обычно попадая в категории Класса I (пик сумерки) и класса II (пик рассвета) в зависимости от их конкретной функции.[10]

Ритмическая экспрессия генов цианобактерий управляется колебаниями в состоянии фосфорилирования осциллятора Кая и его взаимодействием с различными механизмами вывода. Эволюция трех кай гены - kaiA, kaiB, и kaiC - остается областью активного изучения. Недавние филогенетические данные показывают, что кай гены возникли последовательно: kaiC почти 3800 млн лет назад, kaiB между 3500–23200 млн лет назад и kaiA совсем недавно около 1000 млн лет назад. Слияние kaiC и kaiB в оперон под контролем одного промотора произошла вскоре после kaiBПоявление в геноме.[9]

Пока все три кай гены независимо необходимы для устойчивой циркадной ритмичности у цианобактерий, kaiA ген ограничен группой цианобактерий высшего порядка. Например, пока Синехококк и Прохлорококк роды цианобактерий тесно связаны, kaiA отсутствует в Прохлорококк разновидность. Цианобактерии отсутствуют kaiA демонстрируют колебания в экспрессии генов и прогрессии клеточного цикла, но эти ритмы не являются самоподдерживающимися и быстро исчезают при постоянных условиях.[11]

Отсутствуют контрастирующие виды цианобактерий кай гены, некоторые члены Синехококк семейный экспресс паралоги kaiB и kaiC упоминается как kaiC2, kaiB2, kaiC3, и kaiB3.[9] Функция этого расширенного набора генов часов остается спекулятивной, но имеющиеся данные свидетельствуют о том, что это паралоги помогают точно настроить центральный циркадный ритм, установленный kaiA, kaiB1, и kaiC1.[10]

Ортологи kaiB и kaiC гены были идентифицированы у некоторых видов Археи и Протеобактерии. Вероятно, из-за боковой передачи, некоторые из них ортологи - особенно в тех случаях, когда kaiB и kaiC совпадают - предположительно были причастны к рудиментарным механизмам хронометража.[9][12] Другие играют роль в совершенно разных клеточных процессах, таких как Легионелла пневмофила реакции на окислительный и солевой стресс.[13]

Функция

Роль в циркадных часах

Основной циркадный осциллятор цианобактерий, кодируемый kaiA, kaiB, и kaiC гены, регулирует глобальные паттерны экспрессии генов и управляет основными клеточными процессами, включая фотосинтез и деление клеток. Циклические, последовательные ритмы фосфорилирования и дефосфорилирования KaiC составляют одновременно механизм измерения времени осциллятора. in vivo и in vitro.

KaiC организован в виде кольцевого гомогексамера. Каждый мономерный компонент содержит четыре основных структурных мотива: домен CI, домен CII, домен связывания B-петли и хвост, который выступает от C-конца, известного как A-петля. Поскольку домены CI и CII выровнены в гексамере KaiC, они все вместе называются кольцами CI и CII.[14] KaiC обладает как собственной автокиназной, так и аутофосфатной активностью, каждая из которых может модулироваться связыванием KaiA и KaiB. В частности, фосфорилирование и дефосфорилирование остатков Ser431 и Thr432 в кольце CII управляет циркадными ритмами в осцилляторе Кая.[15]

В начале субъективного дня остатки Ser431 и Thr432 гексамера KaiC не фосфорилированы, и домены A-петли составляющих его мономеров обнажены. KaiA связывается с доменом A-петли KaiC, способствуя активности автокиназы. Фосфорилирование белка происходит упорядоченным, последовательным образом - сначала фосфорилируется Thr432, а затем Ser431. Фосфорилирование остатка Ser431 вызывает значительные конформационные изменения в гексамере KaiC. Кольца CI и CII белкового комплекса укладываются более плотно, обнажая ранее закупоренную B-петлю. B-петля, в свою очередь, привлекает KaiB, который одновременно связывается с KaiA и KaiC. Связывание KaiB удаляет KaiA из A-петли и, в свою очередь, оба стимулируют активность аутофосфатазы KaiC и ингибируют его активность автокиназы. Дефосфорилирование KaiC происходит в субъективную ночь и протекает в порядке, обратном фосфорилированию; Thr432 дефосфорилируется до Ser431.[10]

В конечном итоге эти циркадные ритмы фосфорилирования KaiC, управляемые связыванием KaiA и KaiB, создают посттрансляционный осциллятор, который может взаимодействовать с обоими входными путями, чтобы вовлекаться в изменение условий окружающей среды, и выходные пути, чтобы опосредовать события транскрипции.

Циклические ритмы в фосфорилировании гексамера KaiC служат механизмом измерения времени для цианобактериального осциллятора Kai. Кружки, заштрихованные красным, представляют фосфорилированные остатки.

Циркадные выходы и кратное переключение KaiB

Хотя осциллятор Кая способен генерировать эндогенные ритмы при фосфорилировании, он не влияет напрямую на экспрессию генов; ни один из белков Kai не имеет ДНК-связывающих доменов. Вместо этого двухкомпонентная система, состоящая из SasA, гистидинкиназы и RpaA, фактора транскрипции, связывает изменения в фосфорилировании KaiC с транскрипционными событиями.

SasA может связываться с открытой B-петлей молекулы KaiC после фосфорилирования остатка Ser431. Это взаимодействие запускает аутофосфорилирование SasA и последующий перенос фосфора на RpaA. Phospho-RpaA активирует экспрессию генов с наступающим пиком (класс 1) и подавляет экспрессию генов с пиком рассвета (класс 2). Напротив, нефосфорилированный RpaA подавляет экспрессию генов класса 1. В результате ритмическое фосфорилирование фактора транскрипции, управляемое осциллятором Кая и связанной с ним активностью SasA, создает ритмические паттерны в экспрессии генов.[16]

KaiB служит основным регулятором пути SasA-RpaA и демонстрирует структурные адаптации, которые вносят вклад в генерацию циркадных ритмов и облегчают взаимодействие с SasA и KaiC. Большинство KaiB, экспрессируемых в цианобактериях, существует в виде неактивного гомотетрамера, неспособного взаимодействовать с KaiC. Тетрамер KaiB находится в равновесии с мономерной формой белка. Однако мономерный KaiB должен претерпевать радикальные изменения в третичной структуре, чтобы ассоциироваться с KaiC, переходя от так называемой конформации основного состояния (gs-KaiB) к конформации с переключением складок (fs-KaiB), способной связываться с KaiC B- петля. На сегодняшний день KaiB является единственным известным метаморфическим часовым белком - классом белков, способных к обратимому переключению складок.[10]

Fs-KaiB имеет тиоредоксиноподобную складку, которая очень напоминает N-конец SasA и конкурентно смещает связывание киназы с KaiC. Однако изменение конформации с gs-KaiB на fs-KaiB происходит медленно, позволяя SasA связываться с KaiC и активировать нижестоящий RpaA с полудня - когда B-петля впервые открывается - до сумерек.[17] В результате фосфо-RpaA накапливается с течением дня и достигает пика ближе к закату, соответственно увеличивая экспрессию генов класса 1. Более того, эта задержка в связывании KaiB задерживает начало активности аутофосфатазы в KaiC, внося свой вклад в циркадный период цианобактериального осциллятора.

Регулировка осциллятора Кая

В то время как ритмичность в осцилляторе KaiABC может быть восстановлена in vitro, часы подлежат различным дополнительным уровням регулирования in vivo. Например, для сохранения ритмики необходимо поддерживать стехиометрическое соотношение компонентов часов.[18] kaiB и kaiC - уровни транскрипта и белка которого значительно колеблются в течение дня - составляют оперон под контролем одного промотора и транскрибируются как полицистронная мРНК. Напротив, уровни белка KaiA, который находится под контролем независимого промотора, сохраняется в течение 24-часового периода.[10][19]

Кроме того, фаза осциллятора Кая может сдвигаться в ответ на изменения окружающей среды. Однако, в отличие от механизмов фазового сдвига, характерных для эукариотических организмов, фотопигменты, по-видимому, не играют роли в захвате цианобактериальных часов. Вместо этого идентифицированные механизмы ввода основаны на биохимических изменениях, которые отслеживают фотосинтетические реакции, выполняемые цианобактериями, скорость которых увеличивается пропорционально интенсивности окружающего света. CikA и LdpA, например, определяют окислительно-восстановительное состояние внутриклеточной среды и передают изменения на осциллятор Кая.[20] Кроме того, KaiA и KaiC, по-видимому, непосредственно обнаруживают метаболиты фотосинтеза, в частности хинон и АТФ - и соответствующим образом отрегулируйте фазу генератора.[20][21] На сегодняшний день KaiB не участвует во входном пути, способном захватить часы цианобактерий.

Текущее исследование

И лаборатория доктора Карла Джонсона в Университете Вандербильта, и лаборатория доктора Майкла Руста в Чикагском университете сосредоточили свои исследовательские усилия на комплексе KaiABC. Лаборатория Джонсона в сотрудничестве с лабораторией доктора Хассана Мчаураба фокусируется на использовании биофизических методов, чтобы объяснить, как колеблются часы цианобактерий. in vitro. Кроме того, они надеются обнаружить адаптивное значение циркадных ритмов, используя мутанты генов часов цианобактерий.[22] Лаборатория Rust изучает, как взаимодействия белков, нейротрансмиттеров и ионных градиентов определяют поведение живых клеток цианобактерий, используя комбинацию таких методов, как продвинутые биохимические методы. микроскопия и математическое моделирование.[23]

Рекомендации

  1. ^ Кипперт Ф (1987). «Эндоцитобиотическая координация, передача сигналов внутриклеточного кальция и происхождение эндогенных ритмов». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 503 (1): 476–95. Bibcode:1987НЯСА.503..476К. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1987.tb40631.x. PMID  3304083.
  2. ^ Mitsui, A .; Kumazawa, S .; Такахаши, А .; Ikemoto, H .; Cao, S .; Араи, Т. (1986). «Стратегия, по которой азотфиксирующие одноклеточные цианобактерии растут фотоавтотрофно». Природа. 323 (6090): 720–2. Bibcode:1986Натура.323..720М. Дои:10.1038 / 323720a0.
  3. ^ Grobbelaar, N .; Huang, T.C .; Lin, H.Y .; Чоу, T.J. (1986). "Динитроген-фиксирующий эндогенный ритм в Синехококк РФ-1 ". Письма о микробиологии FEMS. 37 (2): 173–7. Дои:10.1111 / j.1574-6968.1986.tb01788.x.
  4. ^ Хуан Т.С., Ту Дж., Чоу Т.Дж., Чен Т.Х. (февраль 1990 г.). «Циркадный ритм прокариот Synechococcus sp. RF-1». Физиология растений. 92 (2): 531–3. Дои:10.1104 / стр.92.2.531. ЧВК  1062325. PMID  16667309.
  5. ^ Чен Т.Х., Чен Т.Л., Хунг Л.М., Хуан Т.С. (сентябрь 1991 г.). «Циркадный ритм поглощения аминокислот Synechococcus RF-1». Физиология растений. 97 (1): 55–9. Дои:10.1104 / стр.97.1.55. ЧВК  1080963. PMID  16668415.
  6. ^ Ишиура М., Куцуна С., Аоки С., Ивасаки Х., Андерссон С.Р., Танабе А., Голден СС, Джонсон С.Х., Кондо Т. (сентябрь 1998 г.). «Экспрессия кластера генов kaiABC как циркадный процесс обратной связи у цианобактерий». Наука. 281 (5382): 1519–23. Bibcode:1998Научный ... 281.1519I. Дои:10.1126 / science.281.5382.1519. PMID  9727980.
  7. ^ Томита Дж., Накадзима М., Кондо Т., Ивасаки Х. (январь 2005 г.). «Нет обратной связи транскрипции-трансляции в циркадном ритме фосфорилирования KaiC». Наука. 307 (5707): 251–4. Bibcode:2005Наука ... 307..251Т. Дои:10.1126 / science.1102540. PMID  15550625.
  8. ^ Накадзима М., Имаи К., Ито Х, Нишиваки Т., Мураяма Й., Ивасаки Х., Ояма Т., Кондо Т. (апрель 2005 г.). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования KaiC цианобактерий in vitro». Наука. 308 (5720): 414–5. Bibcode:2005Наука ... 308..414N. Дои:10.1126 / science.1108451. PMID  15831759.
  9. ^ а б c d Дворник В, Виноградова О, Нево Э (март 2003). «Происхождение и эволюция генов циркадных часов у прокариот». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 100 (5): 2495–500. Bibcode:2003ПНАС..100.2495Д. Дои:10.1073 / pnas.0130099100. JSTOR  3139556. ЧВК  151369. PMID  12604787.
  10. ^ а б c d е Коэн С.Е., Golden SS (декабрь 2015 г.). «Циркадные ритмы цианобактерий». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 79 (4): 373–85. Дои:10.1128 / MMBR.00036-15. ЧВК  4557074. PMID  26335718.
  11. ^ Хольцендорф Дж., Партенски Ф., Мелла Д., Леннон Дж. Ф., Хесс В. Р., Гарцарек Л. (июнь 2008 г.). «Оптимизация генома приводит к потере устойчивости циркадных часов у морской цианобактерии Prochlorococcus marinus PCC 9511». Журнал биологических ритмов. 23 (3): 187–99. Дои:10.1177/0748730408316040. PMID  18487411.
  12. ^ Мин Х, Го Х, Сюн Дж (январь 2005 г.). «Ритмичная экспрессия гена в пурпурной фотосинтетической бактерии, Rhodobacter sphaeroides». Письма FEBS. 579 (3): 808–12. Дои:10.1016 / j.febslet.2005.01.003. PMID  15670851.
  13. ^ Лоза-Корреа М., Сахр Т., Роландо М., Дэниэлс С., Пети П., Скарина Т., Гомес Валеро Л., Дервен-Раво Д., Оноре Н., Савченко А., Бухризер С. (февраль 2014 г.). «Оперон kai Legionella pneumophila участвует в реакции на стресс и обеспечивает пригодность в конкурентной среде». Экологическая микробиология. 16 (2): 359–81. Дои:10.1111/1462-2920.12223. ЧВК  4113418. PMID  23957615.
  14. ^ Паттанаек Р., Ван Дж., Мори Т., Сюй Й., Джонсон С.Х., Эгли М. (август 2004 г.). «Визуализация белка циркадных часов: кристаллическая структура KaiC и функциональные идеи». Молекулярная клетка. 15 (3): 375–88. Дои:10.1016 / j.molcel.2004.07.013. PMID  15304218.
  15. ^ Нишиваки Т, Ивасаки Х, Ишиура М, Кондо Т (январь 2000 г.). «Связывание нуклеотидов и автофосфорилирование часового белка KaiC как циркадный временной процесс цианобактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 97 (1): 495–9. Bibcode:2000ПНАС ... 97..495Н. Дои:10.1073 / пнас.97.1.495. JSTOR  121818. ЧВК  26691. PMID  10618446.
  16. ^ Такай Н., Накадзима М., Ояма Т., Кито Р., Сугита С., Сугита М., Кондо Т., Ивасаки Х. (август 2006 г.). «Связанная с KaiC двухкомпонентная регуляторная система SasA-RpaA в качестве основного медиатора циркадного времени у цианобактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (32): 12109–14. Bibcode:2006ПНАС..10312109Т. Дои:10.1073 / pnas.0602955103. JSTOR  30051673. ЧВК  1832256. PMID  16882723.
  17. ^ Чанг Ю.Г., Коэн С.Е., Фонг С., Майерс В.К., Ким И.И., Ценг Р., Лин Дж., Чжан Л., Бойд Дж.С., Ли Й, Кан С., Ли Д., Ли С., Бритт Р. Д., Руст MJ, Голден СС, ЛиВанг А. (Июль 2015 г.). «Циркадные ритмы. Переключатель свертки белков присоединяет циркадный осциллятор к выходным часам у цианобактерий». Наука. 349 (6245): 324–8. Bibcode:2015Научный ... 349..324C. Дои:10.1126 / science.1260031. ЧВК  4506712. PMID  26113641.
  18. ^ Накадзима М., Ито Х, Кондо Т. (март 2010 г.). «In vitro регуляция циркадного ритма фосфорилирования цианобактериального часового белка KaiC с помощью KaiA и KaiB». Письма FEBS. 584 (5): 898–902. Дои:10.1016 / j.febslet.2010.01.016. PMID  20079736.
  19. ^ Китайма Й., Ивасаки Х., Нишиваки Т., Кондо Т. (май 2003 г.). «KaiB действует как аттенюатор фосфорилирования KaiC в системе циркадных часов цианобактерий». Журнал EMBO. 22 (9): 2127–34. Дои:10.1093 / emboj / cdg212. ЧВК  156084. PMID  12727879.
  20. ^ а б Ивлева Н.Б., Гао Т., ЛиВанг А.С., Golden SS (ноябрь 2006 г.). «Восприятие хинона циркадной входной киназой цианобактериальных циркадных часов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (46): 17468–73. Bibcode:2006PNAS..10317468I. Дои:10.1073 / pnas.0606639103. JSTOR  30052455. ЧВК  1859952. PMID  17088557.
  21. ^ Руст MJ, Golden SS, O'Shea EK (январь 2011 г.). «Управляемые светом изменения в энергетическом обмене напрямую вовлекают циркадный осциллятор цианобактерий». Наука. 331 (6014): 220–3. Bibcode:2011Научный ... 331..220R. Дои:10.1126 / science.1197243. ЧВК  3309039. PMID  21233390.
  22. ^ «Лаборатория Карла Джонсона». Лаборатория Карла Джонсона. Университет Вандербильта, 2017. Web. 30 апреля 2017 г. <https://as.vanderbilt.edu/johnsonlab/ >
  23. ^ "Исследование." Rust Lab. Институт геномики и системной биологии, н. Интернет. 30 апреля 2017 г. <http://rustlab.uchicago.edu/research.html >