兩篇Science從結構上揭示藍細菌生物鐘運轉機制

2017年3月20日/

BIOON/---在一項新的研究中，來自德國和荷蘭的一個研究團隊發現世界上最古老的生物鐘之一的運轉機制。據我們所知，這個生物鐘在地球上的生命中發揮著至關重要的作用。他們發現藍細菌（cyanobacteria）中的這個生物鐘如何詳細地運轉。鑒於藍

是地球上首個通過光合作用產生氧氣的有機體，它們在理解生命中發揮著重要的作用。相關研究結果發表在2017年3月17日的Science期刊上，論文標題為「Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state」。

10年前，研究人員已發現藍

中的這個生物鐘僅有三種蛋白組分--- KaiA、KaiB和KaiC---組成。另外，這三種蛋白組分的組裝需要ATP釋放的能量。這些組分是一種巧妙的系統的構成單元，就好比是精密的瑞士鐘錶的齒輪、彈簧和擺輪。在2005年，日本科學家證實在試管中，當加入一點能量時，這三種蛋白組分的溶液能夠幾天內按照24小時周期運轉。然而，儘管這個生物鐘的相對簡單性，這些科學家並不能夠揭示它的精確運轉機制。

科學家們如何能夠解析出單個蛋白組分的工作機制？論文共同通信作者、荷蘭烏得勒支大學的研究領導者Albert Heck說，「最終，理解藍

中的這個滴答作響的生物鐘的訣竅就是直接地讓時間停頓下來。或者正如諾貝爾文學獎得主William Faulkner所說的，『只有當時鐘停止時，生命才會到來』。我們讓這個生物鐘在冰箱中運轉一周的時間，從而延緩它。按照字面意思，我們凍結時間了。」

除了讓時間停止之外，這些研究人員採用一組前沿的研究技術。利用一種技術，他們能夠確定這三種蛋白複合體（KaiA、KaiB和KaiC）中的每種複合體在單個24小時周期內多久一次組裝或拆解。這讓他們知道哪些蛋白組分組合（齒輪、彈簧和擺輪的組合）決定著這種晝夜節律。

這些研究人員隨後通過降低溫度讓這種生物鐘在特定的時刻停止運轉。這允許他們利用多種技術更加詳細地放大觀察在這些特定時刻的蛋白組分組合在一起時的結構---這些齒輪、彈簧和擺輪的位置。通過這樣做，他們鑒定出在理解這個生物鐘如何運轉中發揮著至關重要的兩種結構。他們隨後能夠通過確定從一種結構轉換到另一種結構，推斷出這些齒輪如何轉動。最終，他們獲得的一種結構模型展示了僅這三種蛋白組分如何精確地形成一種精密的按照24小時周期運轉的鐘錶。

Heck說，「儘管就地質歷史而言，藍細菌的這個生物鐘是非常古老的，但是我們如今仍然能夠從這個系統中學習到很多。」僅在幾年前，研究人員已在我們的紅細胞中發現一種類似的過程。Heck總結道，「藍

是首個產生氧氣的有機體。氧氣富集是如今的生命的基礎。利用這項研究的結果，我們正在了解生命的這個生物學上的原始機制。」

在藍細菌中，時間控制是由KaiA、KaiB和KaiC和一組信號輸出蛋白SasA和CikA控制著的。這組信號輸出蛋白對這種晝夜節律加以轉換，從而控制基因表達。

在另一項新的研究中，Roger Tseng等人描述了KaiB-KaiC,KaiA-KaiB-KaiC和CikA-KaiB複合體的晶體結構和核磁共振結構。這些結果表明KaiB的較大的構象變化和KaiC促進的ATP水解與它們結合到信號輸出蛋白上保持一致，從而將這個生物鐘的信號與晝夜轉換偶聯在一起。（生物谷 Bioon.com）