原始時計から概日振動子まで

May 31, 2023

Nature volume 616、pages 183–189 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

概日リズムは多くの生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たしており、真の翻訳後概日振動子を構成するには 3 つの原核生物タンパク質のみが必要です 1。 3 つの Kai タンパク質の進化の歴史は、KaiC が最も古いメンバーであり、時計の中心的な構成要素であることを示しています2。 その後に KaiB と KaiA を追加すると、時間同期のために KaiC のリン酸化状態が制御されます。 シアノバクテリアの標準的な KaiABC システムはよく理解されています 3,4,5,6 が、KaiBC のみを有するより古いシステムについてはほとんど知られていません。 ただし、基本的な砂時計のような計時機構を備えている可能性があるという報告もあります7、8、9。 今回我々は、KaiA が欠損しているにもかかわらず、KaiBC のみを含むロドバクター・スファエロイデスの原始概日時計を調べ、その内部の仕組みを解明しました。 X線結晶構造解析と極低温電子顕微鏡を組み合わせて、2つの六量体が12個のヘリックスのコイルドコイル束によって保持されているKaiCの新しい十二量体の折り畳みを発見した。 この相互作用は、KaiC のカルボキシ末端伸長によって形成され、後に KaiA に取って代わられる古代の調節部分として機能します。 昼間と夜間の立体構造間のコイルドコイルレジスターシフトは、140 Åを超える長距離アロステリックネットワークを介してリン酸化部位に接続されています。 私たちの動態データは、昼と夜の間のATP対ADP比の違いが、時計を動かす環境の合図であることを特定します。 また、自立発振器の進化を明らかにする機構の詳細も解明します。

概日時計は、原核生物および真核生物に遍在的に見られる自立した生物学的振動子です。 真核生物では、これらのシステムは複雑で高度に洗練されていますが、原核生物では、中核となる機構は、ATP と 3 つのタンパク質 (kaiA、kaiB、および kaiC によってコードされる) を使用して in vitro で再構成できる翻訳後振動子によって制御されています 1。 KaiABC システムに関する精力的な研究により、その概日時計が包括的に理解されるようになりました。 KaiC は、KaiA に結合することで自己リン酸化し、KaiB3、4、5、6 と結合した後に自己脱リン酸化する中心的な成分です。 これら 3 つのタンパク質間の相互作用は、持続性、リセット、温度補償を特徴とする真の概日振動子を構成することが in vitro で示されています。 したがって、KaiABC システムは、概日リズムの洗練された最も単純な実装であると考えられています。 kai 遺伝子の進化の歴史により、kaiC は約 35 億年前に遡る最古のメンバーであることが確立されました。 その後の kaiB と最近の kaiA の追加により、それぞれ現存する kaiBC クラスターと kaiABC クラスターが形成されました 2,10。 特に、kaiA を欠くより原始的な生物に関するいくつかの研究は、kaiBC ベースのシステムがすでに基本的な砂時計のような計時メカニズムを提供している可能性があることを示唆しています 7,8,9。 シアノバクテリアに見られる自立振動子とは対照的に、このようなタイマーは時計を動かし、毎日の砂時計を反転させるために環境の合図を必要とします。 地球上の昼と夜のサイクルによって制御される多くの生物学的プロセスにおける概日リズムの中心的な役割は、その進化を興味深いテーマにしています。

今回我々は、紫色の非硫黄光合成プロテオバクテリアR. sphaeroides KD131のKaiBCシステム（以下、その構成要素をKaiBRSおよびKaiCRSと呼ぶ）の生化学的および構造的研究を通じて、そのような原始的な概日時計を調査する。 この生物は、生体内で遺伝子発現の持続的なリズムを示しますが、kaiBC がこの観察の原因であるかどうかは、kaiC ノックアウトがない場合にはまだ決定的ではありません 11。 ノックアウト株を用いた近縁細菌ロドプシュードモナス・パルストリスの以前の研究では、窒素固定の原概日リズムとkaiC遺伝子の発現との因果関係が実証されている9。 今回、生体外実験を通じて、KaiBCRS が、広く研究されている Synechococcus elongatus PCC 7942 の概日振動子とは異なるメカニズムを持つ原始的な概日時計であることを発見しました（以下、その構成要素を KaiASE、KaiBSE、KaiCSE と呼びます）3,4。 、5、6。 私たちは、リン酸化状態を調節し、その結果、昼と夜の間のATP対ADP比の切り替えとして生体内で24時間時計を生成する環境の合図を特定しました。 関連する状態のX線および極低温電子顕微鏡（クライオEM）構造を組み合わせた動力学的研究から得られた結果は、砂時計の機能にとって重要な長距離アロステリック経路を解明し、自立型の進化に光を当てる。発振器。 特に、我々はKaiCRSの新しいタンパク質の折り畳みを発見し、このシステムの主要な制御因子として約115Åにわたるコイルドコイルドメインのレジスターシフトを明らかにし、これはダイニンシグナル伝達との構造的類似性を示している12。