Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
KaiB
Идентификаторы
ОрганизмSynechococcus elongatus
СимволkaiB
Entrez31251
RefSeq (мРНК)NM_080317
RefSeq (Prot)NP_525056
UniProtP07663
Прочие данные
ХромосомаX: 2.58 - 2.59 Мб
Ищи
СтруктурыШвейцарская модель
ДоменыИнтерПро

KaiB - это ген, расположенный в высококонсервативном кластере генов kaiABC различных видов цианобактерий . Наряду с KaiA и KaiC , KaiB играет центральную роль в работе циркадных часов цианобактерий. Открытие генов Kai ознаменовало первую идентификацию циркадного осциллятора у прокариотических видов. 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 [ править ]

Прокариотические циркадные ритмы [ править ]

Циркадные ритмы - эндогенные, увлекаемые колебания биологических процессов с периодами, примерно соответствующими 24-часовому дню - когда-то считались исключительным свойством эукариотических форм жизни. Считалось, что прокариотам не хватает клеточной сложности для поддержания постоянного хронометража с температурной компенсацией. Вдобавок широко поддерживаемое «циркадно- инфрадианское правило» предусматривало, что клеточные функции могут быть связаны с циркадным осциллятором только в клетках, делящихся только один раз в 24-часовой период. Прокариоты, которые часто подвергаются клеточному делению несколько раз за один день, не соответствуют этому условию. [1]

Со временем появилось все больше свидетельств, опровергающих это утверждение. Например, дискретное временное разделение фотосинтеза и азотфиксации, наблюдаемое у цианобактерий, предполагает существование некоего механизма контроля циркадных ритмов. [2] Наконец, в 1986 году Тан-Чи Хуанг и его коллеги обнаружили и охарактеризовали устойчивые 24-часовые ритмы азотфиксации у Synechococcus cyanobacteria, демонстрируя циркадную ритмичность у прокариотических видов. [3] [4] [5] После этих открытий хронобиологи решили определить молекулярные механизмы, управляющие работой цианобактериальных часов.

Открытие цианобактериальных часов [ править ]

Такао Кондо , Карл Джонсон и Сьюзан Голден использовали бактериальную люциферазу , репортер экспрессии генов, на гене psbAI, чтобы контролировать активность этого часового гена, обнаруженного у Synechococcus cyanobacteria. Трансформация 44-часового мутанта C44a с долгопериодными часами с библиотекой геномной ДНК дикого типа (WT) в плазмидном векторе позволила провести тестирование «спасательных клонов» с нормальным периодом 25 часов. Когда библиотека ДНК из этого спасенного клона была помещена в плазмиду на исходном сайте, было обнаружено , что C44a полностью восстановлен . 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 общих мутантов, специфичных для kaiABC , 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 циркадных часах Synechococcus .

Первоначально считалось, что петля обратной связи транскрипции-трансляции необходима для создания циркадных ритмов, поэтому считалось, что kaiABC также будет выполнять эту функцию. Однако позже было обнаружено, что ингибирование накопления мРНК kaiBC 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, чтобы проверить самоподдерживающуюся осцилляцию фосфорилирования KaiC, которая важна 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 мутантов kaiC in vivo, также наблюдались в штаммах in vitro . [8]

История эволюции [ править ]

Цианобактерии - это группа фотосинтезирующих азотфиксирующих бактерий, которые, как известно, являются одной из первых форм жизни на Земле и, как считается, возникли не менее 3500 миллионов лет назад (Mya). Это единственные известные окислительные фотосинтезирующие прокариоты. [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 генов kai - kaiA , kaiB и kaiC - остается областью активных исследований. Недавние филогенетические данные свидетельствуют о том, что гены kai возникли последовательно: kaiC около 3 800 млн лет назад, kaiB между 3 500–23 200 млн лет назад и kaiA совсем недавно - около 1 000 млн лет назад. Слияние kaiC и kaiB в оперон под контролем одного промотора произошло вскоре после того, как kaiBпоявление в геноме. [9]

В то время как все три гена kai независимо необходимы для устойчивой циркадной ритмичности у цианобактерий, ген kaiA ограничен группой цианобактерий более высокого порядка. Например, в то время как роды цианобактерий Synechococcus и Prochlorococcus тесно связаны, kaiA отсутствует у видов Prochlorococcus . Цианобактерии, лишенные kaiA, демонстрируют колебания в экспрессии генов и прогрессии клеточного цикла, но эти ритмы не являются самоподдерживающимися и быстро исчезают при постоянных условиях. [11]

В отличие от видов цианобактерий, лишенных генов kai , некоторые члены семейства Synechococcus экспрессируют паралоги kaiB и kaiC, обозначаемые как kaiC2 , kaiB2 , kaiC3 и kaiB3 . [9] Функция этого расширенного набора генов часов остается спекулятивной, но текущие данные свидетельствуют о том, что эти паралоги помогают точно настроить центральный циркадный ритм, устанавливаемый kaiA , kaiB1 и kaiC1 . [10]

Ортологи генов kaiB и kaiC были идентифицированы у некоторых видов архей и протеобактерий . Вероятно, происходящие из латерального переноса, некоторые из этих ортологов - 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 реакция на окислительный и солевой стресс у Legionella pneumophila . [13]

Функция [ править ]

Роль в циркадных часах [ править ]

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

KaiC организован как кольцевой гомогексамер. 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 нефосфорилированы, 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 способствуют аутофосфатазной активности KaiC и ингибируют его автокиназную активность. Дефосфорилирование KaiC происходит в субъективную ночь,и протекает в порядке, обратном фосфорилированию; Thr432 дефосфорилируется до Ser431.[10]

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

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

Циркадные выходы и переключение сгиба KaiB [ править ]

Хотя осциллятор Кая способен генерировать эндогенные ритмы фосфорилирования, 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 событиями транскрипции.

SasA может связываться с открытой B-петлей молекулы KaiC при фосфорилировании остатка Ser431. Это взаимодействие приводит к аутофосфорилированию SasA и последующему переносу фосфора на RpaA. Фосфо-RpaA активирует экспрессию генов пика рассвета (класс 1) и подавляет экспрессию генов пика 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 как неактивный гомотетрамер, неспособный взаимодействовать с KaiC. Тетрамер KaiB находится в равновесии с мономерной формой белка. Однако мономерный KaiB должен претерпеть радикальное изменение 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 в течение дня и достигает пика около сумерек, 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 генератора Кая [ править ]

В то время как ритмичность в осцилляторе KaiABC может быть восстановлена in vitro , часы подвергаются различным дополнительным уровням регуляции in vivo . Например, для сохранения ритмичности необходимо поддерживать стехиометрическое соотношение компонентов часов. [18] kaiB и kaiC , уровни транскрипта и белка которых 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 входные механизмы полагаются на биохимические изменения, 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 соответственно регулируют фазу осциллятора. [20][21] На сегодняшний день KaiB не участвует во входном пути, способном захватить часы цианобактерий.

Текущее исследование [ править ]

И лаборатория доктора Карла Джонсона в Университете Вандербильта, и лаборатория доктора Майкла Раста в Чикагском университете сосредоточили свои исследовательские усилия на комплексе KaiABC. Лаборатория Джонсона в сотрудничестве с лабораторией доктора Хассана Мчаураба фокусируется на использовании биофизических методов для объяснения колебаний часов 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 сочетание таких методов, как продвинутая биохимическая микроскопия и математическое моделирование. [23]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Kippert F (1987). «Эндоцитобиотическая координация, передача сигналов внутриклеточного кальция и происхождение эндогенных ритмов». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 503 (1): 476–95. Bibcode : 1987NYASA.503..476K . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1987.tb40631.x . PMID  3304083 .
  2. ^ Мицуи, А .; 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 : 1986Natur.323..720M . DOI : 10.1038 / 323720a0 .
  3. ^ Grobbelaar, N .; Хуанг, ТС; Lin, HY; Чоу, TJ (1986). «Динитроген-фиксирующий эндогенный ритм у Synechococcus RF-1» . Письма о микробиологии FEMS . 37 (2): 173–7. DOI : 10.1111 / j.1574-6968.1986.tb01788.x .
  4. ^ Хуанг ТС, Ту - J, Чоу TJ, Чен TH (февраль 1990 г.). «Циркадный ритм прокариот Synechococcus sp. RF-1» . Физиология растений . 92 (2): 531–3. DOI : 10.1104 / pp.92.2.531 . PMC 1062325 . PMID 16667309 .  
  5. ↑ Chen TH, Chen TL, Hung LM, Huang TC (сентябрь 1991 г.). «Циркадный ритм поглощения аминокислот Synechococcus RF-1» . Физиология растений . 97 (1): 55–9. DOI : 10,1104 / pp.97.1.55 . PMC 1080963 . PMID 16668415 .  
  6. ^ Ishiura МЫ, Kutsuna S, S Аки, Ивасаки Н, Андерссон CR, Tanabe А, Золотой СС, Джонсон СН, Кондо Т (сентябрь 1998 г.). «Экспрессия кластера генов kaiABC как циркадный процесс обратной связи у цианобактерий». Наука . 281 (5382): 1519–23. Bibcode : 1998Sci ... 281.1519I . DOI : 10.1126 / science.281.5382.1519 . PMID 9727980 . 
  7. ↑ Tomita J, Nakajima M, Kondo T, Iwasaki H (январь 2005 г.). «Нет обратной связи транскрипции-трансляции в циркадном ритме фосфорилирования KaiC». Наука . 307 (5707): 251–4. Bibcode : 2005Sci ... 307..251T . DOI : 10.1126 / science.1102540 . PMID 15550625 . 
  8. Перейти ↑ Nakajima M, Imai K, Ito H, Nishiwaki T, Murayama Y, Iwasaki H, Oyama T, Kondo T (апрель 2005 г.). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования KaiC цианобактерий in vitro». Наука . 308 (5720): 414–5. Bibcode : 2005Sci ... 308..414N . DOI : 10.1126 / science.1108451 . PMID 15831759 . 
  9. ^ a b c d Дворник В., Виноградова О., Нево Е. (март 2003 г.). «Происхождение и эволюция генов циркадных часов у прокариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (5): 2495–500. Bibcode : 2003PNAS..100.2495D . DOI : 10.1073 / pnas.0130099100 . JSTOR 3139556 . PMC 151369 . PMID 12604787 .   
  10. ^ а б в г д Коэн SE, Golden SS (декабрь 2015 г.). «Циркадные ритмы цианобактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 79 (4): 373–85. DOI : 10.1128 / MMBR.00036-15 . PMC 4557074 . PMID 26335718 .  
  11. ^ Holtzendorff Дж, Partensky Ж, Мелла Д, Леннон И. Ф., Гесс WR, Garczarek 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. DOI : 10.1177 / 0748730408316040 . PMID 18487411 . 
  12. Перейти ↑ Min H, Guo H, Xiong J (январь 2005 г.). «Ритмическая экспрессия гена в пурпурной фотосинтетической бактерии, Rhodobacter sphaeroides» . Письма FEBS . 579 (3): 808–12. DOI : 10.1016 / j.febslet.2005.01.003 . PMID 15670851 . 
  13. ^ Лоза-Корреа М, Sahr Т, Роландо М, Дэнилс С, Пти Р, Т Скорины, Гомес Валеро л, Dervins-Ravault Д, Оноре Н, Савченко А, Buchrieser С (февраль 2014). «Оперон kai Legionella pneumophila участвует в реакции на стресс и обеспечивает пригодность в условиях конкуренции» . Экологическая микробиология . 16 (2): 359–81. DOI : 10.1111 / 1462-2920.12223 . PMC 4113418 . PMID 23957615 .  
  14. ^ Pattanayek R, Ван - J, Mori T, Сюй Y, Джонсон СН, Эгли М (август 2004 г.). «Визуализация белка циркадных часов: кристаллическая структура KaiC и функциональные идеи». Молекулярная клетка . 15 (3): 375–88. DOI : 10.1016 / j.molcel.2004.07.013 . PMID 15304218 . 
  15. ^ Нишиваки Т, Ивасаки Н, Ishiura М, Кондо Т (январь 2000 г.). «Связывание нуклеотидов и аутофосфорилирование часового белка KaiC как циркадный временной процесс цианобактерий» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (1): 495–9. Bibcode : 2000PNAS ... 97..495N . DOI : 10.1073 / pnas.97.1.495 . JSTOR 121818 . PMC 26691 . PMID 10618446 .   
  16. ^ Такай N, Накаджима М, Ояма Т, Р Kito, Сугита С, Сугита М, Т Кондо, Ивасаки Н (август 2006 г.). «KaiC-связывающая двухкомпонентная регуляторная система SasA-RpaA как главный медиатор циркадного времени у цианобактерий» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (32): 12109–14. Bibcode : 2006PNAS..10312109T . DOI : 10.1073 / pnas.0602955103 . JSTOR 30051673 . PMC 1832256 . PMID 16882723 .   
  17. ^ Chang YG, Cohen SE, Phong C, Myers WK, Kim YI, Tseng R, Lin J, Zhang L, Boyd JS, Lee Y, Kang S, Lee D, Li S, Britt RD, Rust MJ, Golden SS, LiWang A (июль 2015 г.). «Циркадные ритмы. Переключатель свертки белка соединяет циркадный осциллятор с выходом часов цианобактерий» . Наука . 349 (6245): 324–8. Bibcode : 2015Sci ... 349..324C . DOI : 10.1126 / science.1260031 . PMC 4506712 . PMID 26113641 .  
  18. Перейти ↑ Nakajima M, Ito H, Kondo T (март 2010). «Регуляция циркадного ритма фосфорилирования цианобактериального часового белка KaiC in vitro с помощью KaiA и KaiB» . Письма FEBS . 584 (5): 898–902. DOI : 10.1016 / j.febslet.2010.01.016 . PMID 20079736 . 
  19. ^ Китаяма Y, Ивасаки H, Нишиваки T, T Kondo (май 2003). «KaiB действует как аттенюатор фосфорилирования KaiC в системе циркадных часов цианобактерий» . Журнал EMBO . 22 (9): 2127–34. DOI : 10,1093 / emboj / cdg212 . PMC 156084 . PMID 12727879 .  
  20. ^ а б Ивлева Н.Б., Гао Т., ЛиВанг А.С., Golden SS (ноябрь 2006 г.). «Чувство хинона циркадной входной киназой цианобактериальных циркадных часов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (46): 17468–73. Bibcode : 2006PNAS..10317468I . DOI : 10.1073 / pnas.0606639103 . JSTOR 30052455 . PMC 1859952 . PMID 17088557 .   
  21. ^ Rust MJ, Golden SS, О'Ши EK (январь 2011). «Управляемые светом изменения в энергетическом обмене напрямую вовлекают циркадный осциллятор цианобактерий» . Наука . 331 (6014): 220–3. Bibcode : 2011Sci ... 331..220R . DOI : 10.1126 / science.1197243 . PMC 3309039 . PMID 21233390 .  
  22. ^ "Лаборатория Карла Джонсона". Лаборатория Карла Джонсона. Университет Вандербильта, 2017. Web. 30 апреля 2017 г. < https://as.vanderbilt.edu/johnsonlab/ >
  23. ^ «Исследования». Rust Lab. Институт геномики и системной биологии, nd Web. 30 апреля 2017 г. < http://rustlab.uchicago.edu/research.html >