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两篇Science从结构上揭示蓝细菌生物钟运转机制

来源:生物谷 2017-03-20 06:49

2017年3月20日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自德国和荷兰的一个研究团队发现世界上最古老的生物钟之一的运转机制。据我们所知,这个生物钟在地球上的生命中发挥着至关重要的作用。他们发现蓝细菌(cyanobacteria)中的这个生物钟如何详细地运转。鉴于蓝细菌是地球上首个通过光合作用产生氧气的有机体,它们在理解生命中发挥着重要的作用。相关研究结果发表在2017年3月17日的Science期刊上,论文标题为“Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state”。
图片来自Philip Lossl/Utrecht University。

10年前,研究人员已发现蓝细菌中的这个生物钟仅有三种蛋白组分--- KaiA、KaiB和KaiC---组成。另外,这三种蛋白组分的组装需要ATP释放的能量。这些组分是一种巧妙的系统的构成单元,就好比是精密的瑞士钟表的齿轮、弹簧和摆轮。在2005年,日本科学家证实在试管中,当加入一点能量时,这三种蛋白组分的溶液能够几天内按照24小时周期运转。然而,尽管这个生物钟的相对简单性,这些科学家并不能够揭示它的精确运转机制。

威廉-福克纳(William Faulkner)

科学家们如何能够解析出单个蛋白组分的工作机制?论文共同通信作者、荷兰乌得勒支大学的研究领导者Albert Heck说,“最终,理解蓝细菌中的这个滴答作响的生物钟的诀窍就是直接地让时间停顿下来。或者正如诺贝尔文学奖得主William Faulkner所说的,‘只有当时钟停止时,生命才会到来’。我们让这个生物钟在冰箱中运转一周的时间,从而延缓它。按照字面意思,我们冻结时间了。”

新的组合

除了让时间停止之外,这些研究人员采用一组前沿的研究技术。利用一种技术,他们能够确定这三种蛋白复合体(KaiA、KaiB和KaiC)中的每种复合体在单个24小时周期内多久一次组装或拆解。这让他们知道哪些蛋白组分组合(齿轮、弹簧和摆轮的组合)决定着这种昼夜节律。
图片来自Philip Lossl/Utrecht University。

放大观察

这些研究人员随后通过降低温度让这种生物钟在特定的时刻停止运转。这允许他们利用多种技术更加详细地放大观察在这些特定时刻的蛋白组分组合在一起时的结构---这些齿轮、弹簧和摆轮的位置。通过这样做,他们鉴定出在理解这个生物钟如何运转中发挥着至关重要的两种结构。他们随后能够通过确定从一种结构转换到另一种结构,推断出这些齿轮如何转动。最终,他们获得的一种结构模型展示了仅这三种蛋白组分如何精确地形成一种精密的按照24小时周期运转的钟表。

Heck说,“尽管就地质历史而言,蓝细菌的这个生物钟是非常古老的,但是我们如今仍然能够从这个系统中学习到很多。”仅在几年前,研究人员已在我们的红细胞中发现一种类似的过程。Heck总结道,“蓝细菌是首个产生氧气的有机体。氧气富集是如今的生命的基础。利用这项研究的结果,我们正在了解生命的这个生物学上的原始机制。”

蓝细菌中的生物钟昼夜转换的结构基础

在蓝细菌中,时间运转是由KaiA、KaiB和KaiC和一组信号输出蛋白SasA和CikA控制着的。这组信号输出蛋白对这种昼夜节律加以转换,从而控制基因表达。

在另一项新的研究中,Roger Tseng等人描述了KaiB-KaiC,KaiA-KaiB-KaiC和CikA-KaiB复合体的晶体结构和核磁共振结构。这些结果表明KaiB的较大的构象变化和KaiC促进的ATP水解与它们结合到信号输出蛋白上保持一致,从而将这个生物钟的信号与昼夜转换偶联在一起。(生物谷 Bioon.com)

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原始出处:

Joost Snijder, Jan M. Schuller, Anika Wiegard et al. Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state. Science, 17 Mar 2017, 355(6330):1181-1184, doi:10.1126/science.aag1006

Roger Tseng, Nicolette F. Goularte, Archana Chavan et al. Structural basis of the day-night transition in a bacterial circadian clock. Science, 17 Mar 2017, 355(6330):1174-1180, doi:10.1126/science.aag2516

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