КайБ
| КайБ | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Организм | |||
| Символ | кайБ | ||
| Входить | 31251 | ||
| RefSeq (мРНК) | НМ_080317 | ||
| RefSeq (защита) | НП_525056 | ||
| ЮниПрот | P07663 | ||
| Другие данные | |||
| хромосома | Х: 2,58 - 2,59 Мб | ||
| |||
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 в истории 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 с обратной связью транскрипция-трансляция.
Открытие
[ редактировать ]Прокариотические циркадные ритмы
[ редактировать ]Циркадные ритмы — эндогенные, легко поддающиеся контролю колебания биологических процессов с периодами, примерно соответствующими 24-часовым суткам, — когда-то считались исключительным свойством эукариотических форм жизни. прокариотам Считалось, что не хватает клеточной сложности, чтобы поддерживать постоянное, температурно-компенсированное хронометраж. Кроме того, широко поддерживаемое «циркадно- инфрадианное правило» предусматривало, что клеточные функции могут быть связаны только с циркадным осциллятором в клетках, делящихся только один раз в 24 часа. Прокариоты, которые часто подвергаются клеточному делению несколько раз в течение одного дня, не смогли выполнить это условие. [1]
Со временем появилось все больше данных, которые стали оспаривать это утверждение и подтвердили существование бактериального циркадного ритма . Например, дискретное временное разделение фотосинтеза и фиксации азота, наблюдаемое у цианобактерий, предполагает существование некоего механизма циркадного контроля. [2] Наконец, в 1986 году Тан-Чи Хуанг и его коллеги обнаружили и охарактеризовали устойчивые 24-часовые ритмы фиксации азота у цианобактерий Synechococcus , продемонстрировав циркадную ритмичность у прокариотических видов. [3] [4] [5] После этих открытий хронобиологи приступили к выявлению молекулярных механизмов, управляющих работой цианобактериальных часов.
Открытие цианобактериальных часов
[ редактировать ]Такао Кондо , Масахиро Исиура, Сьюзен Голден , Карл Джонсон и их коллеги использовали бактериальную люциферазу , репортер экспрессии генов, на гене psbAI , чтобы отслеживать активность этого часового гена, обнаруженного в Synechococcus цианобактериях . Трансформация 44-часового мутанта с длинным периодом, C44a дикого типа (WT) , библиотекой геномной ДНК в плазмидный вектор позволила протестировать «клоны спасения» с нормальным периодом 25 часов. Когда библиотеку ДНК из этого спасенного клона поместили в плазмиду в исходном сайте, C44a было обнаружено, что один единственный кластер генов, kaiABC полностью спасен. Когда был секвенирован фрагмент плазмиды, ответственной за спасение, было обнаружено, что , имеет ритмическую природу. kaiABC состоит из трех отдельных генов: kaiA , kaiB и kaiC . Изучение паттернов спасения у более чем 50 мутантов часов, демонстрирующих короткие периоды, длинные периоды или аритмию, выявило восстановление фенотипа WT у всех мутантов. Дальнейшее секвенирование выявило 19 мутантов, специфичных для kaiABC , 14 из которых имели мутации в kaiC , 3 в kaiA и 2 в kaiB . [6] Все мутантные фенотипы, вызванные единственной заменой аминокислот в одном из вышеупомянутых генов, определили, что белки Kai играют значительную роль в циркадных часах Synechococcus .
Первоначально считалось, что для создания циркадных ритмов необходима петля обратной связи транскрипции-трансляции, поэтому считалось, что kaiABC также будет выполнять эту функцию. Однако позже было обнаружено, что ингибирование накопления мРНК kaiBC с помощью ингибитора транскрипции или трансляции не предотвращает циркадный цикл фосфорилирования kaiC. Таким образом, ритмичность часов цианобактерий не зависит как от транскрипции, так и от трансляции. [7] Кроме того, были проведены эксперименты по проверке самоподдерживающихся колебаний фосфорилирования KaiC, которые важны для регуляции кластера генов kaiABC . Инкубируя KaiC вместе с KaiA и KaiB, а также АТФ, был доказан аспект температурной компенсации часов KaiABC. Кроме того, такие же циркадные периоды, наблюдаемые у мутантов kaiC in vivo, наблюдались и у in vitro . штаммов [8]
Эволюционная история
[ редактировать ]Цианобактерии — это группа фотосинтезирующих азотфиксирующих бактерий, которые, как известно, являются одной из первых форм жизни на Земле и, как полагают, возникли не менее 3500 миллионов лет назад (млн лет назад). Это единственные известные окислительно-фотосинтезирующие прокариоты. [9] Цианобактерии используют циркадные часы для регулирования фиксации азота, деления клеток и других метаболических процессов. Подавляющее большинство генов цианобактерий экспрессируются циркадным образом, обычно попадая в категории класса I (пик сумерек) и класса II (пик рассвета) в зависимости от их конкретной функции. [10]
Ритмическая экспрессия генов цианобактерий обусловлена колебаниями состояния фосфорилирования осциллятора Кая и его взаимодействием с различными выходными механизмами. Эволюция трех генов kai – kaiA , kaiB и kaiC – остается областью активного изучения. Недавние филогенетические данные свидетельствуют о том, что гены kai возникли последовательно: kaiC около 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 произошло вскоре после появления kaiB в геноме. [9]
Хотя все три гена kai независимо необходимы для поддержания устойчивого циркадного ритма у цианобактерий, ген kaiA ограничен группой цианобактерий более высокого порядка. Например, хотя роды цианобактерий Synechococcus и Prochromococcus тесно связаны, kaiA отсутствует у Prochromococcus видов . У цианобактерий, лишенных kaiA, наблюдаются колебания экспрессии генов и развития клеточного цикла, но эти ритмы не являются самоподдерживающимися и быстро исчезают в постоянных условиях. [11]
В отличие от видов цианобактерий, лишенных генов kai , некоторые члены семейства Synechococcus экспрессируют паралоги kaiB и kaiC, называемые kaiC2 , kaiB2 , kaiC3 и kaiB3 . [9] Функция этого расширенного набора часовых генов 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 идентифицированы у некоторых видов Archaea и Pseudomonadota . Вероятно, возникшие в результате латерального переноса, некоторые из этих ортологов – особенно в случаях, когда kaiB и kaiC совпадают – предположительно вовлечены в рудиментарные механизмы измерения времени. [9] [12] Другие играют роль в совершенно разных клеточных процессах, таких как окислительная реакция Legionella pneumophila и реакция на солевой стресс. [13]
Функция
[ редактировать ]Роль в циркадных часах
[ редактировать ]Основной циркадный осциллятор цианобактерий, кодируемый генами kaiA , kaiB и kaiC , регулирует глобальные закономерности экспрессии генов и управляет важными 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 в виде гомогексамера кольцевой формы. Каждый мономерный компонент содержит четыре основных структурных мотива: домен CI, домен CII, домен связывания B-петли и хвост, который выступает из C-конца, известный как A-петля. Поскольку домены CI и CII выровнены в гексамере KaiC, их вместе называют кольцами CI и CII. [14] KaiC обладает как собственной аутокиназной, 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 запускают циркадные ритмы в генераторе Kai. [15]
В начале субъективного дня остатки Ser431 и Thr432 гексамера KaiC нефосфорилированы, а домены A-петли составляющих его мономеров обнажены. KaiA связывается с доменом A-петли KaiC, способствуя активности аутокиназы. Фосфорилирование белка происходит упорядоченным и последовательным образом: сначала фосфорилируется Thr432, а затем Ser431. Фосфорилирование остатка Ser431 приводит к значительным конформационным изменениям в гексамере KaiC. Кольца CI и CII белкового комплекса укладываются более плотно, обнажая ранее закрытую 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, способствует аутофосфатазной активности KaiC и ингибирует ее аутокиназную активность. Дефосфорилирование KaiC происходит субъективно ночью и протекает в порядке, обратном фосфорилированию; Thr432 дефосфорилируется раньше Ser431. [10]
В конечном счете, эти циркадные ритмы фосфорилирования KaiC, управляемые связыванием KaiA и KaiB, создают посттрансляционный осциллятор, который может взаимодействовать как с входными путями для адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды, так и с выходными путями для опосредования транскрипционных событий.
Циркадные выходы и переключение фолдов KaiB
[ редактировать ]Хотя осциллятор Кая способен генерировать эндогенные ритмы фосфорилирования, он не влияет напрямую на экспрессию генов; ни один из белков Kai не обладает ДНК-связывающими доменами. Вместо этого двухкомпонентная система, состоящая из SasA, гистидинкиназы , и RpaA, транскрипционного фактора, связывает изменения фосфорилирования KaiC с событиями транскрипции.
SasA может связываться с открытой B-петлей молекулы KaiC при фосфорилировании остатка Ser431. Это взаимодействие запускает аутофосфорилирование SasA и последующий фосфоперенос к RpaA. Фосфо-RpaA активирует экспрессию генов сумеречного пика (класс 1) и подавляет экспрессию генов рассветного пика (класс 2). И наоборот, нефосфорилированный RpaA подавляет экспрессию генов класса 1. В результате ритмическое фосфорилирование фактора транскрипции, управляемое осциллятором Kai 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 способствуют генерации циркадных ритмов и облегчают взаимодействие с SasA и KaiC. Большая часть KaiB, экспрессируемая в цианобактериях, существует в виде неактивного гомотетрамера, неспособного взаимодействовать с KaiC. Тетрамер KaiB существует в равновесии с мономерной формой белка. Однако мономерный KaiB должен претерпеть радикальные изменения в третичной структуре, чтобы ассоциироваться с KaiC, переходя от так называемой конформации основного состояния (gs-KaiB) к конформации с переключенной складкой (fs-KaiB), способной связываться с KaiC B- петля. На сегодняшний день KaiB является единственным известным метаморфическим часовым белком — классом белков, способных к обратимому переключению складки. [10]
Fs-KaiB имеет тиоредоксин-подобную складку, которая очень напоминает N-конец SasA и конкурентно замещает связывание киназы с KaiC. Однако изменение конформации с gs-KaiB на fs-KaiB происходит медленно, что позволяет SasA связываться с KaiC и активировать RpaA с полудня – когда B-петля впервые становится обнаженной – до сумерек. [17] В результате фосфо-RpaA накапливается в течение дня и достигает пика ближе к сумеркам, что соответственно увеличивает экспрессию генов класса 1. Более того, эта временная задержка связывания KaiB задерживает начало активности аутофосфатазы в KaiC, способствуя циркадному периоду цианобактериального осциллятора.
Регулирование генератора Кая
[ редактировать ]Хотя ритмичность генератора KaiABC можно восстановить in vitro , часы подвергаются различным дополнительным уровням регулирования in vivo . Например, для сохранения ритмичности необходимо поддерживать стехиометрическое соотношение компонентов часов. [18] kaiB и kaiC , чьи уровни транскрипта и белка 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, остаются стабильными в течение 24 часов. [10] [19]
Кроме того, фаза генератора Кая может сдвигаться в ответ на изменения окружающей среды. Однако, в отличие от механизмов сдвига фаз, характерных для эукариотических организмов, фотопигменты, по-видимому, не играют роли в уносе цианобактериальных часов. Вместо этого выявленные механизмы воздействия основаны на биохимических изменениях, которые отслеживают фотосинтетические реакции, выполняемые цианобактериями, реакции, скорость которых увеличивается пропорционально интенсивности окружающего света. Например, CikA и LdpA определяют окислительно-восстановительное состояние внутриклеточной среды и передают изменения генератору Kai. [20] Кроме того, KaiA и KaiC, по-видимому, напрямую обнаруживают метаболиты фотосинтеза, в частности хинон и АТФ , и соответствующим образом регулируют фазу осциллятора. [20] [21] На сегодняшний день KaiB не вовлечен во входной путь, способный задействовать цианобактериальные часы.
Текущие исследования
[ редактировать ]И лаборатория доктора Карла Джонсона в Университете Вандербильта, и лаборатория доктора Майкла Раста в Чикагском университете проводят исследования, сосредоточенные на комплексе KaiABC. Лаборатория Джонсона в сотрудничестве с лабораторией доктора Хассана Мчаураба фокусируется на использовании биофизических методов для объяснения того, как колеблются часы цианобактерий in vitro . Кроме того, они надеются обнаружить адаптивное значение циркадных ритмов, используя мутанты часового гена цианобактерий. [22] Лаборатория Rust исследует, как взаимодействие белков, нейротрансмиттеров и ионных градиентов влияет на поведение живых клеток цианобактерий, используя комбинацию таких методов, как передовая биохимическая микроскопия и математическое моделирование. [23]
См. также
[ редактировать ]- Бактериальные циркадные ритмы
- Циркадный ритм
- Хронобиология
- Цианобактерии
- КайС
- КайА
- Колебания
- фосфорилирование
- Синехококк
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кипперт Ф (1987). «Эндоцитобиотическая координация, внутриклеточная передача сигналов кальция и происхождение эндогенных ритмов». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 503 (1): 476–95. Бибкод : 1987NYASA.503..476K . дои : 10.1111/j.1749-6632.1987.tb40631.x . ПМИД 3304083 . S2CID 42743872 .
- ^ Мицуи А., Кумадзава С., Такахаши А., Икемото Х., Цао С., Араи Т. (1986). «Стратегия, с помощью которой азотфиксирующие одноклеточные цианобактерии растут фотоавтотрофно». Природа . 323 (6090): 720–2. Бибкод : 1986Natur.323..720M . дои : 10.1038/323720a0 . S2CID 4235387 .
- ^ Гроббелаар Н., Хуан Т., Линь Х., Чоу Т. (1986). «Динтрогенфиксирующий эндогенный ритм у Synechococcus RF-1» . Письма FEMS по микробиологии . 37 (2): 173–7. дои : 10.1111/j.1574-6968.1986.tb01788.x .
- ^ Хуан Т.К., 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 . ПМЦ 1062325 . ПМИД 16667309 .
- ^ Чен Т.Х., Чен Т.Л., Хунг Л.М., Хуан Т.К. (сентябрь 1991 г.). «Циркадный ритм поглощения аминокислот Synechococcus RF-1» . Физиология растений . 97 (1): 55–9. дои : 10.1104/стр.97.1.55 . ПМЦ 1080963 . ПМИД 16668415 .
- ^ Исиура М, Куцуна С, Аоки С, Ивасаки Х, Андерссон ЧР, Танабэ А, Голден СС, Джонсон Ч, Кондо Т (сентябрь 1998 г.). «Экспрессия кластера генов kaiABC как процесс циркадной обратной связи у цианобактерий». Наука . 281 (5382): 1519–23. Бибкод : 1998Sci...281.1519I . дои : 10.1126/science.281.5382.1519 . ПМИД 9727980 .
- ^ Томита Дж., Накадзима М., Кондо Т., Ивасаки Х. (январь 2005 г.). «Отсутствует обратная связь транскрипции-трансляции в циркадном ритме фосфорилирования KaiC» . Наука . 307 (5707): 251–4. Бибкод : 2005Sci...307..251T . дои : 10.1126/science.1102540 . ПМИД 15550625 . S2CID 9447128 .
- ^ Накадзима М., Имаи К., Ито Х., Нишиваки Т., Мураяма Ю., Ивасаки Х., Ояма Т., Кондо Т. (апрель 2005 г.). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования цианобактерий KaiC in vitro». Наука . 308 (5720): 414–5. Бибкод : 2005Sci...308..414N . дои : 10.1126/science.1108451 . ПМИД 15831759 . S2CID 24833877 .
- ^ Перейти обратно: а б с д 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. Бибкод : 2003PNAS..100.2495D . дои : 10.1073/pnas.0130099100 . JSTOR 3139556 . ПМК 151369 . ПМИД 12604787 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Коэн SE, Golden SS (декабрь 2015 г.). «Циркадные ритмы цианобактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 79 (4): 373–85. дои : 10.1128/MMBR.00036-15 . ПМЦ 4557074 . ПМИД 26335718 .
- ^ Хольцендорф Дж., Партенский Ф., Мелла Д., Леннон Дж. Ф., Хесс В. Р., Гарчарек Л. (июнь 2008 г.). «Оптимизация генома приводит к потере устойчивости циркадных часов морской цианобактерии Prochromococcus marinus PCC 9511». Журнал биологических ритмов . 23 (3): 187–99. дои : 10.1177/0748730408316040 . ПМИД 18487411 . S2CID 2741470 .
- ^ Мин Х, Го Х, Сюн Дж (январь 2005 г.). «Ритмичная экспрессия генов у пурпурной фотосинтетической бактерии Rhodobacter sphaeroides» . Письма ФЭБС . 579 (3): 808–12. doi : 10.1016/j.febslet.2005.01.003 . ПМИД 15670851 .
- ^ Лоза-Корреа М, Сахр Т, Роландо М, Дэниелс К, Пети П, Скарина Т, Гомес Валеро Л, Дервинс-Раво Д, Оноре Н, Савченко А, Бухризер С (февраль 2014 г.). «Оперон Legionella pneumophila kai участвует в реакции на стресс и обеспечивает адаптацию в конкурентной среде» . Экологическая микробиология . 16 (2): 359–81. Бибкод : 2014EnvMi..16..359L . дои : 10.1111/1462-2920.12223 . ПМК 4113418 . ПМИД 23957615 .
- ^ Паттанаек Р., Ван Дж., Мори Т., Сюй Ю., Джонсон Ч., 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 . ПМИД 15304218 .
- ^ Нишиваки Т., Ивасаки Х., Исиура М., Кондо Т. (январь 2000 г.). «Связывание нуклеотидов и аутофосфорилирование часового белка KaiC как циркадный процесс синхронизации цианобактерий» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (1): 495–9. Бибкод : 2000PNAS...97..495N . дои : 10.1073/pnas.97.1.495 . JSTOR 121818 . ПМК 26691 . ПМИД 10618446 .
- ^ Такай Н., Накадзима М., Ояма Т., Кито Р., Сугита С., Сугита М., Кондо Т., Ивасаки Х. (август 2006 г.). «Двухкомпонентная регуляторная система SasA-RpaA, связанная с KaiC, как основной медиатор циркадного времени у цианобактерий» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (32): 12109–14. Бибкод : 2006PNAS..10312109T . дои : 10.1073/pnas.0602955103 . JSTOR 30051673 . ПМЦ 1832256 . ПМИД 16882723 .
- ^ Чанг Ю.Г., Коэн С.Э., Фонг С., Майерс В.К., Ким Й.И., Ценг Р., Лин Дж., Чжан Л., Бойд Дж.С., Ли Ю., Кан С., Ли Д., Ли С., Бритт Р.Д., Раст М.Дж., Голден СС, ЛиВанг А. (июль 2015 г.). «Циркадные ритмы. Белковый переключатель присоединяет циркадный осциллятор к тактовому сигналу у цианобактерий» . Наука . 349 (6245): 324–8. Бибкод : 2015Sci...349..324C . дои : 10.1126/science.1260031 . ПМК 4506712 . ПМИД 26113641 .
- ^ Накадзима М., Ито Х., Кондо Т. (март 2010 г.). «Регуляция in vitro циркадного ритма фосфорилирования цианобактериального часового белка KaiC с помощью KaiA и KaiB» . Письма ФЭБС . 584 (5): 898–902. дои : 10.1016/j.febslet.2010.01.016 . ПМИД 20079736 .
- ^ Китаяма Ю., Ивасаки Х., Нишиваки Т., Кондо Т. (май 2003 г.). «KaiB действует как аттенюатор фосфорилирования KaiC в системе циркадных часов цианобактерий» . Журнал ЭМБО . 22 (9): 2127–34. дои : 10.1093/emboj/cdg212 . ПМК 156084 . ПМИД 12727879 .
- ^ Перейти обратно: а б Ивлева Н.Б., Гао Т., ЛиВанг AC, Golden SS (ноябрь 2006 г.). «Ощущение хинона с помощью циркадной входной киназы циркадных часов цианобактерий» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (46): 17468–73. Бибкод : 2006PNAS..10317468I . дои : 10.1073/pnas.0606639103 . JSTOR 30052455 . ПМЦ 1859952 . ПМИД 17088557 .
- ^ Раст MJ, Golden SS, О'Ши EK (январь 2011 г.). «Световые изменения в энергетическом обмене напрямую затрагивают цианобактериальный циркадный осциллятор» . Наука . 331 (6014): 220–3. Бибкод : 2011Sci...331..220R . дои : 10.1126/science.1197243 . ПМК 3309039 . ПМИД 21233390 .
- ^ "Лаборатория Карла Джонсона". Лаборатория Карла Джонсона. Университет Вандербильта, 2017. Интернет. 30 апреля 2017 г. < https://as.vanderbilt.edu/johnsonlab/ >
- ^ «Исследование». Ржавая лаборатория. Институт геномики и системной биологии, nd Web. 30 апреля 2017 г. < http://rustlab.uchicago.edu/research.html >