Суточный период вращения Земли закодирован в атомной структуре белка KaiC
Японские исследователи показали, что суточный период вращения Земли (24 часа) закодирован на атомном уровне в белке KaiC — биомолекуле диаметром около 10 нм, которую экспрессируют клетки цианобактерий.
Результаты этой работы помогут ответить на давний вопрос хронобиологии: как определяется циркадный период биологических часов? Это также позволит понять базовый молекулярный механизм работы таких часов, что может внести вклад в разработку терапии расстройств, связанных с аномальными циркадными ритмами.
Результаты были опубликованы онлайн 25 июня 2015 года в Science Express.
Многие организмы регулируют свою биологическую активность в соответствии с суточными изменениями среды (освещённости и температуры), вызванными вращением Земли вокруг своей оси. Период этих биологических часов составляет около 24 часов. Однако оставалось неясным, как именно реализуются 24-часовые ритмы.
Исследовательская группа изучила этот вопрос на примере цианобактерий. Их циркадные часы можно восстановить in vitro, смешав три белка часов (KaiA, KaiB и KaiC) и АТФ. Ранее было показано, что АТФазная активность KaiC, катализирующая реакцию гидролиза АТФ, тесно связана с циркадной периодичностью.
АТФазная активность KaiC демонстрирует устойчивые циркадные колебания в присутствии белков KaiA и KaiB. В данном исследовании было обнаружено, что временной профиль АТФазной активности KaiC показывает затухающий осциллирующий компонент даже в отсутствии KaiA и KaiB. Тщательный анализ выявил, что частота этого сигнала составляет 0,91 день-1, что приблизительно соответствует 24-часовому периоду. Таким образом, KaiC сам по себе является источником стабильного цикла, синхронизированного с суточным вращением Земли.
Для выявления причинных структурных факторов N-концевой домен KaiC был проанализирован с помощью высокоразрешающей кристаллографии. Полученные атомные структуры раскрыли причину исключительно низкой скорости работы KaiC по сравнению с другими АТФазами.
Доктор Дзюн Абэ поясняет: «Молекула воды не может атаковать идеальную позицию для гидролиза АТФ из-за стерических препятствий рядом с фосфорильными группами АТФ. Кроме того, это препятствие надёжно закреплено пружиноподобной структурой, образованной изомеризацией полипептида. Гидролиз АТФ, который включает доступ молекулы воды к связанному АТФ и обратную изомеризацию полипептида, требует значительно большей свободной энергии, чем типичный гидролиз АТФ. Таким образом, обнаруженная трёхмерная атомная структура объясняет, почему АТФазная активность KaiC так сильно (в 100–1 000 000 раз) ниже, чем у типичных АТФазных молекул».
Период циркадных часов не зависит от температуры окружающей среды — это явление известно как температурная компенсация. Одна молекула KaiC состоит из шести идентичных субъединиц, каждая из которых содержит дублированные домены с набором АТФазных мотивов. Асимметричная регуляция на атомном уровне, описанная выше, определяет механизм обратной связи, который поддерживает АТФазную активность на постоянном низком уровне. Авторы обнаружили, что суточный период вращения Земли (24 часа) реализован как постоянная времени этого механизма обратной связи, опосредованного белковой структурой.
Молекулы белков, включая KaiC, способны двигаться на коротких временных масштабах — порядка 10-12–10-1 секунд. Данное исследование впервые на атомном уровне продемонстрировало, что небольшие белковые молекулы могут генерировать 24-часовые ритмы, регулируя свою структуру и реакционную способность.
Профессор Сюдзи Акияма, руководитель исследования, отмечает: «Тот факт, что в этой регуляции задействованы молекула воды, АТФ, полипептидная цепь и другие универсальные биологические компоненты, позволяет предположить, что люди и другие сложные организмы также могут иметь схожий молекулярный механизм. В переполненной внутриклеточной среде, содержащей мириады молекулярных сигналов, KaiC демонстрирует медленные колебания, используя небольшое количество энергии, генерируемой за счёт потребления АТФ. Этот умный механизм отсчёта времени в шумной среде может вдохновить на разработку высокоэффективных и устойчивых химических реакционных процессов и систем обработки информации на основе молекулярных систем».