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Science：生物钟是怎样设定的

点击次数：  更新时间：2015/12/30 15:24:36  

       众所周知，为了适应地球自转引起的昼夜改变(尤其是光强和温度)，地球生物会通过生物钟调控自己的活动。生物钟周期与地球自转周期相符，大约是24小时。那么，这个周期到底是怎样决定并执行下来的呢?

        日本分子科学研究所 (IMS)的科学家们发现，地球的自转周期(24小时)铭刻在生物钟蛋白KaiC的原子结构上。这种蛋白在蓝藻中表达，是直径10 nm的小分子。这项研究于六月二十五日发表在Science杂志上，不仅有助于深入理解生物钟的基础机制，还可以帮助人们治疗与异常昼夜节律有关的疾病。

       生物钟一直是生物学研究的热点领域，人们已经在许多生物(从细菌到哺乳动物)中阐明了生物钟与多种疾病的关系，但一直不清楚24小时昼夜节律是如何建立起来的。

       研究人员用蓝藻解决了这个问题。蓝藻的生物钟主要包括三个蛋白(KaiA、KaiB和KaiC)和ATP。2007年的一项研究表明，KaiC的ATPase活性(介导ATP水解)与生物钟周期密切相关。这说明，可能是KaiC的功能性结构决定了昼夜节律。

       已知在KaiA和KaiB存在的情况下，KaiC的ATPase活性表现出节律性的振荡。而这项研究显示，即使不存在KaiA和KaiB，KaiC的ATPase活性依然在振荡，而且这个振荡频率大致为24小时。由此可见，KaiC就是24小时稳定周期的来源。

       研究人员用高分辨率的晶体学技术分析了KaiC的N端结构域，通过原子结构揭示了KaiC比其他ATPase慢的原因。“KaiC有一个空间障碍阻止水分子进入理想的ATP水解位点，该障碍锚定在一个多肽异构化(polypeptide isomerization)的结构上，”Dr. Jun Abe解释道。“这样ATP水解就涉及了水分子进入和可逆的多肽异构化，比一般ATP水解需要更大量的自由能。正因如此，KaiC的ATPase活性要慢得多。”

       这种蛋白质结构介导的反馈机制使KaiC的ATPase活性始终保持低水平，其时间常数就是地球的自转周期(24小时)。这项研究首次在原子水平上证明，蛋白小分子可以通过结构调控产生24小时节律。“人类和其他复杂生物可能也具有类似的分子机制。在拥挤而嘈杂的细胞内环境中，这是一个很巧妙的计时机制，”Shuji Akiyama教授说。

    原文标题：Atomic-scale origins of slowness in the cyanobacterial circadian clock

    原文摘要：Circadian clocks generate slow and ordered cellular dynamics, but consist of fast-moving bio-macromolecules; consequently, the origins of the overall slowness remain unclear. We identified theadenosine triphosphate catalytic region (ATPase) in the N-terminal half of the clock protein KaiC as theminimal pacemaker that controls the in vivo frequency of the cyanobacterial clock. Crystal structures of theATPase revealed that the slowness of this ATPase arises from sequestration of a lytic water molecule in an unfavorable position and coupling of ATP hydrolysis to a peptide isomerization with high activation energy. Theslow ATPase is coupled with another ATPase catalyzing autodephosphorylation in the C-terminal half of KaiC, yielding the circadian response frequency of intermolecular interactions with other clock-related proteins thatinfluences the transcription and translation cycle.