Хронобиологи определили ключевой механизм циркадных часов у цианобактерий

Исследователи выявили ключевой механизм, участвующий в настройке циркадных часов цианобактерий — модельного организма для хронобиологов, чья система является одной из самых ранних в эволюции, что проливает свет на работу наших собственных систем.

Статья с результатами опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences 4 мая 2022 года.

Цианобактерии (сине-зелёные водоросли) давно интересуют хронобиологов как модельный организм, в частности, их белок KaiC.

Белок KaiC — ключевая часть главных часов цианобактерий. Регуляция генов, производящих этот белок и другие белки, с которыми он взаимодействует, критически важна для поддержания циркадного ритма бактерии и определения времени для основных процессов жизни, таких как фотосинтез и деление клеток.

KaiC — это АТФаза, фермент, катализирующий реакцию гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) с использованием молекулы воды, что высвобождает энергию для жизнедеятельности.

Однако KaiC — особый тип АТФазы с двухдоменной структурой, где в каждом домене есть свой активный сайт. Циркадная система управляется медленной и упорядоченной, но очень сложной координацией этих двух сайтов.

Для этого белок KaiC использует два типа молекул АТФ, чтобы производить разнообразные химические реакции и управлять ритмом. Молекулы АТФ связываются с мотивом Уокера — петлевой структурой, ассоциированной со связыванием фосфата, — присутствующим в двух доменах: N-концевом C1 и C-концевом C2. АТФ, связанная с доменом C1, — основной источник реакции гидролиза АТФ, скорость которой определяет скорость работы часов. В присутствии белков-партнёров KaiA и KaiB, молекулы АТФ, связанные как в домене C1, так и в C2, периодически активируются и инактивируются.

«В последние годы это взаимодействие C1/C2-АТФазы KaiC стало важной целью исследований для лучшего понимания циркадной системы цианобактерий, — сказал соавтор работы Сюдзи Акияма, — поскольку оно тесно связано со свойствами колебаний, настройки периода и компенсации температурных изменений».

Исследователи использовали биохимические и структурно-биологические методы, включая замены аминокислот в самом KaiC, чтобы охарактеризовать свойства и взаимодействие двойных активных сайтов АТФазы. Также был проведён анализ кристаллической структуры KaiC для визуализации активированной и инактивированной форм АТФ и каталитических молекул воды в домене C1.

Было обнаружено, что:

• N-концевая и C-концевая АТФазы взаимодействуют друг с другом через интерфейс между доменами в KaiC.
• Двойные сайты АТФазы регулируются ритмично, согласованно или противоположно, в зависимости от фазы циркадной системы, чтобы контролировать цикл сборки и разборки других часовых белков KaiA и KaiB.
• Результаты предполагают, что активация двойных АТФаз KaiC через автокаталитический механизм способствует внезапной разборке на рассвете белковых комплексов, собранных за ночь.

Это критически важно для сброса «субъективной ночи» (предсказанной организмом длины ночи) и продвижения всей системы вперёд по циклу.

Многие структурные детали C2-АТФазы остаются неясными даже после анализа, отчасти из-за невозможности идентифицировать некоторые участвующие каталитические молекулы воды. Исследователей также поразил огромный диапазон активности C2-АТФазы, которая может подавляться до нуля. Физиологическое значение этого — следующая важная цель для учёных.