是什么驱动了生物钟的昼夜节律：解开生物钟的复杂运作

　　

研究团队揭示了驱动蓝藻昼夜节律的因素。

科学家们想要加深他们对昼夜节律的理解，昼夜节律是指发生在从人类到植物、从真菌到细菌等生物体内部的24小时睡眠和清醒的生物钟周期。一个研究小组已经检查了蓝藻的复杂工作方式，现在可以更好地理解是什么驱动了它的生物钟。

该团队由日本冈崎国家自然科学研究院分子科学研究所的研究人员领导，他们于2022年4月15日在《Science Advances.》杂志上发表了他们的发现。

图1所示,时钟蛋白质产生蓝藻昼夜节律。在试管中可以观察到磷酸化循环(红色圆圈中有“P”表示磷转移)和ATP水解循环(蓝色圆圈中有“ATP”和“ADP”表示腺苷-三磷酸转化为腺苷-二磷酸)的昼夜节律。

该团队的研究重点是KaiC，一种调节蓝藻昼夜节律的时钟蛋白，蓝藻是一种生活在所有类型的水中的细菌，经常在蓝藻中被发现(图1，左)。生物体中的这些生物钟是由蛋白质组成的(图1右上)。蓝藻生物钟就其组成成分的数量而言是最简单的生物钟，但它仍然是一个非常复杂的系统，可以为科学家提供所有生物钟工作的线索。蓝色的蓝藻细菌是微生物，可以在从盐和淡水到土壤和岩石的环境中发现。该团队研究了变构的结构基础，即蓝藻中的KaiC蛋白在形状和活性上发生的复杂变化(图1右下)。变构驱动蓝藻昼夜节律钟。

该团队通过筛选数千种结晶条件，研究了KaiC时钟蛋白的原子结构。对原子结构的详细研究使他们能够覆盖整个磷酸化循环，在这个过程中，一个磷酸盐被转移到蛋白质上(图2，下)。磷酸化与另一个反应周期ATP水解合作，这是决定时钟速度的能量消耗事件(图2，上)。磷酸化-ATP水解系统就像细胞活性的调节器。为了帮助他们理解变构的基础，他们以八种不同的状态使KaiC蛋白结晶，从而使他们能够观察到磷酸化循环和ATP水解循环之间的协作性，就像两个齿轮一样工作(图2)。

图2 KaiC系统中两个齿轮的协同运动。在KaiC的双环结构中发生磷酸化循环和ATP水解循环。这两个循环是由酸性、碱性和中性组分之间的氢键介导的。

在过去，科学家们已经在体外和计算机上研究了KaiC蛋白的磷循环。然而，关于变构是如何调节KaiC中的磷循环的还知之甚少。

通过研究八种不同状态下的KaiC，该团队能够观察到磷循环和ATP酶水解循环中发生的耦合。这两个齿轮的耦合驱动蓝藻昼夜节律钟。

因为蛋白质是由大量原子组成的，所以要理解它们复杂而有序的功能机制并不容易。我们需要耐心地追踪蛋白质的结构变化，”国家自然科学研究所分子科学研究所助理教授Yoshihiko Furuike说。

KaiC蛋白有节律地自主激活和灭活反应周期，以调节其他时钟相关蛋白的装配状态。因此，考虑到他们的下一步，该团队可能会使用结构生物学来揭示齿轮旋转的加速和减速的原子机制。Furuike说:“我们的目标是在原子水平的振荡期间看到所有的蓝藻时钟蛋白，并描述有序节奏产生于混沌原子动力学的时刻。”

他们的工作可以作为一种研究工具，帮助科学家更好地了解昼夜节律周期的工作机制。展望未来，研究团队可以看到他们的发现有更广泛的应用。哺乳动物、昆虫、植物和细菌都有自己的具有不同序列和结构的时钟蛋白。Furuike说:“然而，KaiC动力学和时钟功能之间关系背后的逻辑可以应用到其他各种生物的研究中。”

参考文献:

Elucidation of master allostery essential for circadian clock oscillation in cyanobacteria