원시시계부터 일주기 진동자까지

Nature 616권, 183~189페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

일주기 리듬은 많은 생물학적 과정에서 필수적인 역할을 하며, 진정한 번역 후 일주기 진동자를 구성하려면 3개의 원핵 단백질만 필요합니다1. 세 가지 Kai 단백질의 진화 역사는 KaiC가 가장 오래된 구성원이자 시계2의 중심 구성 요소임을 나타냅니다. KaiB와 KaiA의 후속 추가는 시간 동기화를 위해 KaiC의 인산화 상태를 조절합니다. 시아노박테리아의 정식 KaiABC 시스템은 잘 알려져 있지만3,4,5,6 KaiBC만 보유하는 고대 시스템에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 그러나 기본적인 모래시계와 같은 시간 유지 메커니즘을 나타낼 수 있다는 보고가 있습니다7,8,9. 여기에서는 KaiBC만 포함된 Rhodobacter sphaeroides의 원시 일주기 시계를 조사하여 KaiA가 없음에도 불구하고 내부 작동을 설명합니다. X선 결정학과 극저온 전자현미경의 조합을 사용하여 우리는 KaiC의 새로운 십이각형 접힘을 발견했습니다. 여기서 두 개의 육합체는 12개의 나선으로 구성된 코일 코일 다발에 의해 함께 고정되어 있습니다. 이 상호 작용은 KaiC의 카르복시 말단 확장에 의해 형성되며 나중에 KaiA로 대체되는 고대 조절 부분의 역할을 합니다. 낮과 밤의 형태 사이의 코일 코일 레지스터 이동은 140Å 이상에 걸쳐 있는 장거리 알로스테릭 네트워크를 통해 인산화 부위에 연결됩니다. 우리의 운동 데이터는 낮과 밤 사이의 ATP-ADP 비율의 차이를 시계를 구동하는 환경 신호로 식별합니다. 또한 자립형 발진기의 진화를 조명하는 기계적 세부 사항도 밝혀냅니다.

일주기 시계는 원핵생물과 진핵생물 유기체에서 어디에서나 발견되는 자립형 생물학적 진동자입니다. 진핵생물에서 이러한 시스템은 복잡하고 매우 정교한 반면, 원핵생물에서는 핵심 메커니즘이 ATP와 세 가지 단백질(kaiA, kaiB 및 kaiC로 인코딩됨)1로 시험관 내에서 재구성될 수 있는 번역 후 발진기에 의해 조절됩니다. KaiABC 시스템에 대한 중요한 작업을 통해 생체 시계에 대한 포괄적인 이해가 이루어졌습니다. KaiC는 KaiA에 결합하여 자가인산화하고 KaiB3,4,5,6과 결합한 후 자가탈인산화하는 핵심 구성 요소입니다. 이 세 가지 단백질 간의 상호 작용은 지속성, 재설정 및 온도 보상을 특징으로 하는 진정한 일주기 진동자를 구성하는 것으로 시험관 내에서 나타났습니다. 결과적으로 KaiABC 시스템은 일주기 리듬의 우아하고 가장 간단한 구현으로 간주됩니다. 카이 유전자의 진화 역사는 kaiC를 약 35억년 전으로 거슬러 올라가는 가장 오래된 구성원으로 확립했습니다. 이후 kaiB와 가장 최근에 kaiA가 추가되어 각각 현존하는 kaiBC 및 kaiABC 클러스터가 형성되었습니다2,10. 특히, kaiA가 부족한 보다 원시적인 유기체에 대한 일부 연구에서는 kaiBC 기반 시스템이 이미 기본 모래시계와 같은 시간 측정 메커니즘을 제공할 수 있음을 암시했습니다7,8,9. 시아노박테리아에서 발견되는 자립 진동자와는 달리, 이러한 타이머에는 시계를 구동하고 매일 모래시계를 뒤집기 위한 환경 신호가 필요합니다. 지구상의 낮과 밤 주기에 의해 제어되는 많은 생물학적 과정에서 일주기 리듬의 중심 역할은 그들의 진화를 매혹적인 주제로 만듭니다.

여기에서는 보라색, 비황 광합성 프로테오박테리움 R. sphaeroides KD131(이하 해당 구성 요소를 KaiBRS 및 KaiCRS라고 함)의 KaiBC 시스템에 대한 생화학적 및 구조적 연구를 통해 이러한 원시적인 일주기 시계를 조사합니다. 유기체는 생체 내에서 유전자 발현의 지속적인 리듬을 보여 주지만 kaiBC가 이 관찰에 책임이 있는지 여부는 kaiC 녹아웃이 없는 경우 결정적이지 않습니다. 녹아웃 균주를 사용한 밀접하게 관련된 박테리아인 Rhodopseudomonas palustris에 대한 이전 연구에서는 질소 고정의 원형 리듬과 kaiC 유전자 발현 사이의 인과관계가 입증되었습니다9. 여기 체외 실험을 통해 우리는 KaiBCRS가 Synechococcus elongatus PCC 7942에서 널리 연구된 일주기 진동자와는 다른 메커니즘을 가진 원시 일주기 시계임을 발견했습니다(이하 해당 구성 요소를 KaiASE, KaiBSE 및 KaiCSE라고 함)3,4 ,5,6. 우리는 인산화 상태를 조절하고 결과적으로 낮과 밤 사이의 ATP-ADP 비율의 스위치로서 생체 내에서 24시간 시계를 생성하는 환경 신호를 식별합니다. 관련 상태의 X선 및 극저온 전자 현미경(cryo-EM) 구조와 결합된 운동학 연구 결과는 모래시계의 기능에 중요한 장거리 알로스테릭 경로를 밝히고 자립형 전자 현미경의 진화에 대한 빛을 밝혀줍니다. 발진기. 특히, 우리는 KaiCRS에 대한 새로운 단백질 접힘을 발견하고 이 시스템의 주요 조절자로서 약 115Å에 이르는 코일 코일 도메인의 레지스터 이동을 발견했으며 이는 다인 신호 전달과 구조적 유사성을 보여줍니다.