В молекулярной биологии цианобактериальные часовые белки являются основным циркадным регулятором у цианобактерий . Цианобактериальные часовые белки включают три белка: KaiA , KaiB и KaiC . Комплекс kaiABC может действовать как промотор - неспецифический регулятор транскрипции , который подавляет транскрипцию , возможно, воздействуя на состояние уплотнения хромосом . Этот комплекс экспрессируется из оперона KaiABC .
См. также: бактериальные циркадные ритмы
В комплексе KaiA усиливает статус фосфорилирования kaiC. Напротив, присутствие kaiB в комплексе снижает статус фосфорилирования kaiC, что позволяет предположить, что kaiB действует, противодействуя взаимодействию между kaiA и kaiC. Активность KaiA активирует экспрессию kaiBC, тогда как KaiC ее подавляет.
Также в семействе KaiC есть RadA/Sms, высококонсервативный эубактериальный белок, который имеет сходство последовательностей как с трансферазой нити RecA, так и с протеазой lon . Семейство RadA/Sms, вероятно, является АТФ-зависимыми протеазами, участвующими как в репарации ДНК , так и в деградации белков, пептидов , гликопептидов . Они классифицируются как непептидазные гомологи и нераспределенные пептидазы в семействе пептидаз MEROPS S16 (семейство протеаз lon, клан SJ). RadA/Sms участвует в рекомбинации и рекомбинационной репарации, скорее всего, включающей стабилизацию или обработку разветвленных молекул ДНК или заблокированных репликативных вилок из-за его генетической избыточности с RecG и RuvABC. [1]
Общая складка мономера KaiA представляет собой четырехспиральный пучок , который образует димер в известной структуре . [2] KaiA функционирует как гомодимер . Каждый мономер состоит из трех функциональных доменов : N-концевого домена усилителя амплитуды, центрального домена регулятора периода и C-концевого домена часового осциллятора. N-концевой домен KaiA из цианобактерий действует как домен псевдоприемника, но в нем отсутствует консервативный остаток аспартила , необходимый для фосфотрансфера в регуляторах ответа. [3] C-концевой домен отвечает за образование димера, связывание с KaiC, усиление фосфорилирования KaiC и генерацию циркадных колебаний . [4] Белок KaiA из Anabaena sp. (штамм PCC 7120) лишен N-концевого CheY-подобного домена.
KaiB принимает мотив альфа-бета-меандра и, как выяснилось, является димером или тетрамером . [2] [5]
KaiC принадлежит к более крупному семейству белков ; он выполняет аутофосфорилирование и действует как собственный транскрипционный репрессор . Он связывает АТФ . [6]
Из-за отсутствия ядра у этих организмов возникли сомнения относительно того, смогут ли цианобактерии выражать циркадные ритмы. Кондо и др. были первыми, кто окончательно продемонстрировал, что у цианобактерий действительно есть циркадные ритмы. В эксперименте 1993 года они использовали репортер люциферазы , вставленный в генетически управляемый Synechococcus sp., который выращивался в цикле свет-темнота 12:12 для обеспечения «захвата». Было два набора бактерий, так что один находился на свету, а другой в темноте в течение этого периода захвата. Как только бактерии вошли в стационарную фазу, их переносили в пробирки, содержащиеся при постоянном освещении, за исключением 5-минутных периодов записи каждые 30 минут, во время которых пробирки содержались в темноте для измерения их уровней биолюминесценции . Они обнаружили, что уровень биолюминесценции циклически изменялся с периодом около 24 часов, и что две группы колебались с противоположными фазами. Это привело их к выводу, что геном Synechococcus sp. регулируется циркадными часами. (1)
Циркадные осцилляторы у эукариот , которые были изучены, функционируют с использованием петли отрицательной обратной связи , в которой белки подавляют свою собственную транскрипцию в цикле, который занимает приблизительно 24 часа. Это известно как осциллятор, полученный в результате транскрипции-трансляции (TTO).(2) Без ядра прокариотические клетки должны иметь другой механизм поддержания циркадного времени. В 1998 году Ишиура и др. определили, что белковый комплекс KaiABC отвечает за петлю циркадной отрицательной обратной связи у Synechococcus, картируя 19 часовых мутантов в генах этих трех белков.(3) Эксперимент Накаджимы и др. в 2005 году смог продемонстрировать циркадные колебания комплекса KaiABC Synechococcus in vitro . Они сделали это, добавив KaiA , KaiB , KaiC и АТФ в пробирку в приблизительном соотношении, зарегистрированном in vivo . Затем они измерили уровни фосфорилирования KaiC и обнаружили, что он продемонстрировал циркадную ритмичность в течение трех циклов без затухания. Этот цикл также был температурно-компенсирующим. Они также протестировали инкубацию мутантного белка KaiC с KaiA, KaiB и АТФ. Они обнаружили, что период фосфорилирования KaiC совпадал с собственным периодом цианобактерии с соответствующим мутантным геномом. Эти результаты привели их к выводу, что фосфорилирование KaiC является основой для генерации циркадного ритма у Synechococcus. (2)
Цианобактерии являются простейшими организмами, которые, как было отмечено, демонстрируют циркадные ритмы.(2)(3) Примитивность и простота делают модель фосфорилирования KaiC бесценной для исследования циркадных ритмов. Хотя она намного проще моделей для эукариотических генераторов циркадных ритмов, принципы в значительной степени одинаковы. В обеих системах циркадный период зависит от взаимодействий между белками внутри клетки, и когда гены этих белков мутируют, выраженный период изменяется. (1)(2) Эта модель генерации циркадных ритмов также имеет значение для изучения циркадной «эволюционной биологии». Учитывая простоту цианобактерий и этой циркадной системы, можно с уверенностью предположить, что эукариотические циркадные осцилляторы произошли от системы, аналогичной той, что присутствует в цианобактериях. (1)