Bakteryjny rytm dobowy
Bakteryjne rytmy dobowe , podobnie jak inne rytmy dobowe , są endogennymi „zegarami biologicznymi”, które mają następujące trzy cechy: (a) w stałych warunkach (tj. stałej temperaturze i stałym świetle {LL} lub stałej ciemności {DD}) oscylują z okres, który jest zbliżony, ale nie dokładnie, do 24 godzin, (b) ten „ swobodny ” rytm jest kompensowany temperaturowo, oraz (c) rytm przechodzi do odpowiedniego cyklu środowiskowego.
Do połowy lat 80. uważano, że rytmy okołodobowe mają tylko komórki eukariotyczne . Obecnie wiadomo, że cyjanobakterie (rodzaj eubakterii fotosyntetyzujących ) mają dobrze udokumentowane rytmy dobowe, które spełniają wszystkie kryteria autentycznych rytmów dobowych. W tych bakteriach trzy kluczowe białka, których struktury zostały określone, mogą tworzyć molekularny mechanizm zegarowy, który koordynuje globalną ekspresję genów. System ten poprawia sprawność cyjanobakterii w środowiskach rytmicznych.
Historia: czy prokarioty są zdolne do rytmiki okołodobowej?
Przed połową lat 80. uważano, że tylko eukarionty mają systemy okołodobowe.
W latach 1985–6 kilka grup badawczych odkryło, że cyjanobakterie wykazują dobowe rytmy wiązania azotu zarówno w cyklach światło/ciemność (LD), jak i przy stałym świetle. Grupa Huanga i współpracowników jako pierwsza jasno stwierdziła, że sinice Synechococcus sp. RF-1 wykazywał rytmy okołodobowe, aw serii publikacji rozpoczynających się w 1986 roku wykazał wszystkie trzy istotne cechy rytmów okołodobowych opisanych powyżej w tym samym organizmie, jednokomórkowym słodkowodnym Synechococcus sp . RF-1. Kolejnym przełomowym badaniem byli Sweeney i Borgese.
Zainspirowany badaniami wyżej wymienionych pionierów, sinica Synechococcus elongatus została genetycznie stransformowana reporterem lucyferazy , który umożliwił nieinwazyjną ocenę rytmicznej ekspresji genów jako rytmicznie „świecących” komórek. System ten umożliwił niezwykle precyzyjny pomiar dobowego rytmu luminescencji z populacji komórek, a nawet z pojedynczych komórek cyjanobakterii.
Związek z podziałem komórki
Pomimo przewidywań, że zegary okołodobowe nie będą wyrażane przez komórki, które podwajają się szybciej niż raz na 24 godziny, rytmy cyjanobakterii trwają w kulturach, które rosną z czasem podwajania się tak szybko, jak jeden podział co 5-6 godzin.
Znaczenie adaptacyjne
Czy chronometrażyści dobowi poprawiają sprawność organizmów rosnących w warunkach naturalnych? Pomimo oczekiwań, że zwykle zakłada się, że zegary okołodobowe poprawiają sprawność organizmów poprzez poprawę ich zdolności do przystosowania się do cykli dobowych w czynnikach środowiskowych, przeprowadzono niewiele rygorystycznych testów tej propozycji na jakimkolwiek organizmie. Cyjanobakterie są jednymi z nielicznych organizmów, u których wykonano taki test. Test sprawności adaptacyjnej przeprowadzono poprzez zmieszanie szczepów cyjanobakterii, które wykazują różne właściwości okołodobowe (tj. rytmiczność vs. arytmia, różne okresy itp.) i hodowanie ich w warunkach współzawodnictwa w różnych warunkach środowiskowych. Pomysł polegał na ustaleniu, czy posiadanie odpowiednio działającego systemu zegarowego poprawia sprawność w warunkach rywalizacji. W rezultacie szczepy z funkcjonującym zegarem biologicznym pokonują szczepy arytmiczne w środowiskach, które mają rytmiczny cykl światło/ciemność (np. 12 godzin światła naprzemiennie z 12 godzinami ciemności), podczas gdy w oświetlenie) rytmiczne i arytmiczne napięcia rosną w porównywalnym tempie. Wśród rytmicznych szczepów o różnych okresach, szczepy, których okres endogenny najbardziej odpowiada okresowi cyklu środowiskowego, są w stanie prześcignąć szczepy, których okres nie pasuje do okresu środowiska.
Globalna regulacja ekspresji genów i topologia chromosomów
U eukariontów około 10–20% genów podlega ekspresji rytmicznej (co mierzy rytm obfitości mRNA). Jednak u cyjanobakterii znacznie większy odsetek genów jest kontrolowany przez zegar dobowy. Na przykład jedno badanie wykazało, że aktywność zasadniczo wszystkich promotorów jest regulowana rytmicznie. Mechanizm, dzięki któremu ta globalna regulacja genów jest mechanistycznie powiązana z zegarem okołodobowym, nie jest znany, ale może być związany z rytmicznymi zmianami w topologii całego chromosomu cyjanobakterii.
Mechanizm molekularny mechanizmu zegarowego cyjanobakterii
System reporterowy lucyferazy S. elongatus zastosowano do badań przesiewowych mutantów genu zegarowego, z których wiele wyizolowano.
Początkowo mechanizm zegarowy cyjanobakterii wydawał się być pętlą sprzężenia zwrotnego transkrypcji i translacji , w której białka zegarowe automatycznie regulują aktywność swoich własnych promotorów w procesie, który był podobny w koncepcji do okołodobowych pętli zegarowych eukariontów. Później jednak kilka linii dowodów wskazywało, że transkrypcja i translacja nie były konieczne dla rytmów okołodobowych białek Kai, przy czym najbardziej spektakularnym było to, że trzy oczyszczone białka Kai mogą odtworzyć w probówce oscylację okołodobową z kompensacją temperatury.
Wyjście tego oscylatora do rytmów ekspresji genów może być pośredniczone przez jeden lub oba z następujących mechanizmów: (1) Biochemiczny Model Kaskadowy, który implikuje globalnie działające czynniki transkrypcyjne, RpaA i B. Wydaje się, że RpaA jest sprzężony z centralnym KaiABC oscylator przez kinazę histydynową SasA poprzez dwuskładnikowy szlak sygnałowy i/lub (2) hipotezę chromosomu/nukleoidu, w której zegar okołodobowy koordynuje dramatyczne dobowe zmiany w topologii DNA, co powoduje zmianę tempa transkrypcji.
Wizualizacja „przekładni” mechanizmu zegarowego: biologia strukturalna białek zegarowych
Cyjanobakteryjny system okołodobowy jest jak dotąd wyjątkowy, ponieważ jest to jedyny system okołodobowy, w którym rozwiązano struktury pełnowymiarowych białek zegarowych. W rzeczywistości określono struktury wszystkich trzech białek Kai. KaiC tworzy heksamer, który przypomina podwójny pączek z centralnym porem, który jest częściowo uszczelniony na jednym końcu. W KaiC jest dwanaście miejsc wiążących ATP i zidentyfikowano reszty, które są fosforylowane podczas rytmu fosforylacji in vitro. KaiA ma dwie główne domeny i tworzy dimery, w których domeny N-końcowe są „zamienione” na domeny C-końcowe. KaiB został pomyślnie wykrystalizowany z trzech różnych gatunków cyjanobakterii i tworzy dimery lub tetramery.
Trójwymiarowe struktury były pomocne w wyjaśnieniu mechanizmu zegara cyjanobakterii, dostarczając konkretnych modeli sposobów, w jakie trzy białka Kai oddziałują na siebie i wpływają na siebie. Podejścia strukturalne umożliwiły również wizualizację kompleksów KaiA/KaiB/KaiC w funkcji czasu, co umożliwiło zaawansowane modelowanie matematyczne rytmu fosforylacji in vitro. W związku z tym elementy zegara cyjanobakterii i ich interakcje można wizualizować w czterech wymiarach (trzy w przestrzeni, jeden w czasie). Wzorce formowania czasowego kompleksu KaiA/KaiB/KaiC zostały wyjaśnione, wraz z interpretacją opartego na rdzeniu mechanizmu na wzorach fosforylacji KaiC i dynamice kompleksu KaiA/KaiB/KaiC. Ponadto zastosowano metody jednocząsteczkowe (mikroskopia sił atomowych o dużej prędkości) do wizualizacji w czasie rzeczywistym i ilościowego określenia dynamicznych interakcji KaiA z KaiC w skalach czasowych poniżej sekundy. Te interakcje regulują oscylacje okołodobowe poprzez modulację wiązania magnezu w KaiC.
Alternatywny pogląd na podstawowy mechanizm tego niezwykłego zegara opiera się na obserwacjach aktywności ATPazy KaiC. KaiC hydrolizuje ATP z zadziwiająco małą szybkością zaledwie 15 cząsteczek ATP na monomer KaiC w ciągu 24 godzin. Szybkość tej aktywności ATPazy jest kompensowana temperaturowo, a aktywność białek KaiC typu dzikiego i zmutowanych okresowo jest wprost proporcjonalna do ich in vivo , co sugeruje, że aktywność ATPazy określa okres okołodobowy. Dlatego niektórzy autorzy sugerowali, że aktywność ATPazy KaiC stanowi najbardziej podstawową reakcję leżącą u podstaw cykliczności okołodobowej u sinic.
Przewaga okołodobowa
W kontekście bakteryjnych rytmów okołodobowych , szczególnie u sinic , przewaga okołodobowa odnosi się do zwiększonej przewagi konkurencyjnej szczepów sinic, które „rezonują” ze środowiskowym rytmem okołodobowym . Rozważmy na przykład szczep z okresem swobodnego przepływu (FRP) wynoszącym 24 godziny, który jest hodowany razem ze szczepem, który ma okres swobodnego przepływu (FRP) wynoszący 30 godzin w cyklu światło-ciemność wynoszącym 12 godzin światła i 12 godzin ciemności (LD 12:12). Szczep, który ma 24-godzinny FRP, z czasem przewyższy szczep 30-godzinny w tych warunkach LD 12:12. Z drugiej strony, w cyklu światło-ciemność, obejmującym 15 godzin światła i 15 godzin ciemności, odmiana 30-godzinna przebije odmianę 24-godzinną. Co więcej, rytmiczne szczepy sinic będą konkurować ze szczepami arytmicznymi w 24-godzinnych cyklach światło/ciemność, ale w ciągłym świetle szczepy arytmiczne są w stanie współistnieć z komórkami typu dzikiego w kulturach mieszanych.
Inne bakterie
Jedyną grupą prokariotyczną z dobrze udokumentowanym mechanizmem dobowego pomiaru czasu są sinice. Ostatnie badania sugerują, że wśród innych prokariotów mogą istnieć 24-godzinne mechanizmy pomiaru czasu. Fioletowa bakteria bezsiarkowa Rhodopseudomonas palustris jest jednym z takich przykładów, ponieważ zawiera homologi KaiB i KaiC i wykazuje adaptacyjne, zależne od KaiC wzmocnienie wzrostu w 24-godzinnych cyklicznych środowiskach. Jednak doniesiono, że R. palustris wykazuje słaby wewnętrzny swobodny rytm wiązania azotu w stałych warunkach. Brak rytmu u R. palustris w stałych warunkach ma wpływ na wartość adaptacyjną wewnętrznego mechanizmu pomiaru czasu. Dlatego system R. palustris został zaproponowany jako „proto” zegar dobowy, który wykazuje niektóre części systemów dobowych (homologi kaiB i kaiC), ale nie wszystkie.
Istnieją dowody na istnienie zegara okołodobowego u Bacillus subtilis . Testy promotora lucyferazy wykazały wzorce ekspresji genów ytvA, genu kodującego fotoreceptor światła niebieskiego, który spełniał kryteria zegara okołodobowego. Jednak nie było jeszcze solidnej demonstracji zegara w B. subtilis , a potencjalne mechanizmy okołodobowej regulacji genów w B. subtilis pozostają nieznane.
Innym bardzo ciekawym przykładem jest przypadek mikrobiomu. Możliwe, że zegary okołodobowe odgrywają rolę w zachowaniu mikroflory jelitowej. Te mikroorganizmy doświadczają codziennych zmian, ponieważ ich żywiciele jedzą zgodnie z codzienną rutyną (spożycie w ciągu dnia w przypadku zwierząt prowadzących dzienny tryb życia iw nocy w przypadku żywicieli nocnych). Obecność dziennego chronometrażysty może pozwolić bakteriom jelitowym na czasowe przewidywanie zasobów pochodzących od gospodarza, dając w ten sposób tym gatunkom bakterii przewagę konkurencyjną nad innymi gatunkami w jelitach. Wiadomo, że niektóre bakterie biorą wskazówki z zegara okołodobowego żywiciela w postaci melatoniny .
Zobacz też
Dalsza lektura
- Ditty JL, Mackey SR, Johnson CH, wyd. (2009). Bakteryjne programy okołodobowe . Skoczek. P. 333.
- Dunlap JC, Loros J, DeCoursey PJ (2004). Chronobiologia: biologiczny pomiar czasu . Sunderland: Sinauer.