Kaia

Identyfikatory
kaiA
Organizm S. wydłużony
Symbol kaiA
UniProt Q79PF6
Szukaj
Struktury Model szwajcarski
Domeny InterPro

kaiA jest genem należącym do grupy genów „ kaiABC ”, który odgrywa kluczową rolę w regulacji bakteryjnego rytmu okołodobowego , na przykład u cyjanobakterii Synechococcus elongatus . W przypadku tych bakterii regulacja ekspresji kaiA ma kluczowe znaczenie dla rytmu okołodobowego, który określa dobowy rytm biologiczny. Ponadto KaiA działa z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego w stosunku do kaiB i KaiC . Gen kaiA wytwarza białko KaiA, które wzmaga fosforylację KaiC, podczas gdy KaiB hamuje aktywność KaiA.

Historia

Odkrycie

Rytmy okołodobowe zostały odkryte w różnych organizmach. Rytmy te kontrolują różnorodne czynności fizjologiczne i pomagają organizmom przystosować się do warunków środowiskowych. Cyjanobakterie to najbardziej prymitywne organizmy wykazujące oscylację okołodobową. Zegary cyjanobakterii zostały po raz pierwszy założone w niebiesko-zielonych algach z najstarszymi znanymi skamielinami sprzed około 3,5 miliarda lat. Susan Golden , Carl H. Johnson i Takao Kondo byli osobami, które odkryły, że minimalny zegar cyjanobakterii składa się z 3 białek: KaiA, KaiB i KaiC. (Uwaga: kai oznacza po japońsku cykl.) Eksperyment przeprowadzony przez Kondo polegał na podłączeniu lucyferazy i przeprowadzeniu mutagenezy. Była to pierwsza identyfikacja możliwych genów, które mogłyby odtworzyć zegar biologiczny w obrębie cyjanobakterii, w tym KaiA.

Cyjanobakterie były pierwszymi prokariotami , które miały zegar dobowy. Dla adaptacji cyjanobakterii geny zegara okołodobowego wykazują formy o dużym znaczeniu, ponieważ regulują podstawowe procesy fizyczne, takie jak regulacja wiązania azotu, podział komórek i fotosynteza . Wczesne badania KaiA zostały przeprowadzone w artykule badawczym z 1998 r., „Expression of a Gene Cluster kaiABC as a Circadian Feedback Process in Cyanobacteria”, w którym wyszczególniono funkcje klastra genów i KaiA, podtrzymując oscylacje poprzez zwiększenie ekspresji Kai C. KaiA została odkryta podczas badania mutacji zegara w Synechococcus przy użyciu lucyferazy bakteryjnej jako reportera ekspresji genów kontrolowanej zegarem. Był to pierwszy przypadek, w którym naukowcy po raz pierwszy zaproponowali mechanizm i system nazewnictwa dla KaiA i klastra genów kaiABC.

Godne uwagi badania

Naukowcy Masato Nakajima, Keiko Imai, Hiroshi Ito, Taeko Nishiwaki, Yoriko Murayama, Hideo Iwasaki, Tokitaka Oyama i Takao Kondo przeprowadzili eksperyment „Rekonstytucja okołodobowej oscylacji cyjanobakteryjnej fosforylacji KaiC in Vitro” wzięli KaiA, KaiB i KaiC i umieścili je w probówce z ATP, MgCl2 i tylko bufory. Użyli radioaktywnego ATP i fosforylowanej formy KaiC, która działa nieco szybciej niż niefosforylowany KaiC. Widzieli dwudziestoczterogodzinny rytm autohydrolizy KaiC. System jest również kompensowany temperaturowo i był godny uwagi, ponieważ potrzebował tylko trzech białek, w tym KaiA, do rytmu dwudziestoczterogodzinnego.

Badania opublikowane w artykule „Robust and Tunable Circadian Rhythms From Differentially Sensitive Catalytic Domains” autorstwa Connie Phong, Josepha S. Marksona, Crystal M. Wilhoite i Michaela J. Rusta pokazują matematyczny związek KaiA i KaiC, gdzie KaiA stymuluje fosforylację KaiC. Dodatkowo KaiB sekwestruje KaiA, co sprzyja defosforylacji KaiC.

Ponadto „Regulacja in vitro rytmu okołodobowego fosforylacji cyjanobakteryjnego białka zegarowego KaiC, KaiA i KaiB” pokazuje mechanizm porywania komórkowego zegara okołodobowego z rytmem okołodobowym w odpowiedzi na wewnątrzkomórkowe poziomy KaiA i innych białek Kai. Stosunki KaiA do KaiB i KaiC wyrażają rytm okołodobowy i kierują fosforylacją KaiC w oparciu o stosunki KaiA, które mogą porywać w różnych jasnych i ciemnych warunkach.

Historia ewolucyjna

Cyjanobakterie były jednymi z najstarszych organizmów na ziemi i odnosiły największe sukcesy pod względem ekologicznej plastyczności i zdolności adaptacyjnych. Dvornyk przeprowadził analizę filogenetyczną genów kai i odkrył, że geny kai mają różne historie ewolucyjne, a pętla sprzężenia zwrotnego, w której znajduje się kaiA, wyewoluowała około 1000 milionów lat temu. Minimalna ilość genów kaiA uniemożliwia pełne datowanie ich ewolucji. Ponieważ występują tylko u niektórych wyższych cyjanobakterii, geny kaiA są najmłodsze w porównaniu z kaiB i kaiC, mówiąc ewolucyjnie. Synechococcus sp. PCC7942 ma kaiA, podczas gdy P.marinus nie, mimo że są blisko spokrewnionymi organizmami jednokomórkowymi, dodatkowo demonstrując ewolucyjną młodość genu kaiA. Geny KaiA znajdują się również w genomach gatunków z poddrzewa kaiC, w kladach młodszych niż Prochlorococcus . Zatem geny kaiA najprawdopodobniej przybyły po specjacji Synechococcus i Prochlorococcus , około 1051 ± 116,9 i 944 ± 92,9 milionów lat temu.

Geny KaiA są zlokalizowane tylko w sinicach o długości od sinic nitkowatych ( Anabaena i Nostoc ) do jednokomórkowych sinic ( Synechoccus i Synechocyti s), które są dłuższe o 852-900 pz. Geny KaiA są najmniej konserwatywne wśród genów kai. Krótsze homologi genów kaiA i kaiB pasują tylko do 1 segmentu ich dłuższych wersji bliżej końca 3', w przeciwieństwie do genów kaiC. Oznacza to, że kaiA i kaiB najprawdopodobniej nie wyewoluowały poprzez powielanie. Konkretnie, gen kaiA miał tylko jedną kopię.

Genetyka i struktura białek

Statystyki KaiA: 284 aminokwasy; Masa cząsteczkowa 32,6 kD; Punkt izoelektryczny 4,69.

Białka Kai nie mają podobnej sekwencji do żadnego eukariotycznego białka zegarowego, chociaż podstawowe procesy przypominają te występujące u organizmów eukariotycznych (takie jak faza resetowania światła, kompensacja temperatury, okres bez reklam). Geny Kai występują u prawie wszystkich sinic. Williams odkrył, że 6 z opisanych genomów cyjanobakterii miało 2 ciągłe ORF zachowujące homologię z S. elongates kaiB i kaiC. Spośród tych skojarzeń sekwencji tylko cztery geny kaiA są rozróżnialne, co czyni go najbardziej zróżnicowaną sekwencją genów kai. Synechocystis _ sp. Genom szczepu PCC 6803 ma tylko jeden gen kaiA, podczas gdy wiele znajduje się w kaiB i kaiC. Homologi KaiB i kaiC można znaleźć w innych eubakteriach i archeonach, ale wydaje się, że kaiA występuje tylko w sinicach (obecnie jedynych prokariotach z 24-godzinną oscylacją biologiczną).

KaiA Trzy domeny funkcjonalne:

1) Domena N-końcowa (wzmacniacz amplitudy)

2) Centralna domena regulatora okresu

3) C-końcowa domena zegara-oscylatora

Domena C-końcowa pomaga w tworzeniu dimeru, umożliwiając w ten sposób KaiA wiązanie się z KaiC. To dodatkowo wzmacnia fosforylację KaiC. (patrz funkcje poniżej)

Pośrodku wklęsłej części KaiA znajduje się reszta His270, która jest niezbędna do funkcjonowania KaiA.

Mutacje

Istnieją 3 mutacje 19 mutantów (pojedyncze substytucje aminowe) znalezione w kaiA znalezione z bezpośredniego sekwencjonowania klastra. Zatem klaster, jak również białka Kai pełnią niezbędne funkcje dla zegara okołodobowego Synechococcus . Wywołana przez IPTG nadekspresja kaiA doprowadziła do arytmii, wykazując, że rytmiczność wymaga ekspresji kaiA, jak również innych genów. Mutageneza kaiA ujawnia, że ​​rzadko występują mutacje krótkookresowe, ale obfitość mutacji długookresowych. W szczególności Nishimura odkrył, że istnieje 301 mutacji długookresowych, 92 mutantów arytmicznych i tylko jedna mutacja krótkookresowa. Tak więc Nishimura doszedł do wniosku, że mutacje kaiA zwykle prowadzą do wydłużenia okresu. Wyjątkiem byłby mutant F224S, w którym w KaiA stwierdzono krótki okres 22 godzin. Okresy mutacji KaiA wahały się do 50 godzin, w których niektóre mutanty wykazywały arytmię. Wydaje się, że mutacje KaiA selektywnie zmieniają długość okresu, co pokazuje, że kaiA może regulować okres. Ponadto białka kaiA mogą regulować długość okresu oscylacji okołodobowych niezależnie od tego, czy kaiBC zostało aktywowane, czy nie. Długie okresy były spowodowane mutacjami w kaiA, jak również obniżeniem ekspresji kaiBC.

Stwierdzono, że KaiA zwiększa ekspresję kaiBC. Postuluje się, że niektóre zmutowane białka kaiA nie były w stanie utrzymać rytmiczności z powodu braku aktywacji ekspresji kaiBC. Nishimura odkrył, że większość mutacji KaiA zmniejsza aktywność PkaiBC do różnych poziomów. Jest to zgodne z odkryciem, że białka kaiA wzmacniają aktywność kaiBC. Jego eksperyment sugerował ponadto, że kaiA jest częścią mechanizmu resetowania fazy zegara cyjanobakterii. Mutacje mapowane na regiony klastrów kaiA doprowadziły do ​​fenotypów o długim okresie, co sugeruje, że regiony klastrów kaiA odgrywają rolę w regulowaniu długości okresu oscylacji okołodobowych. Regiony KaiA, które zwiększają ekspresję kaiBC (pozwalając na rytm) najprawdopodobniej nie znajdują się w regionach klastra, ponieważ mutanty arytmiczne (C53S, V76A, F178S, F224S, F274K) zostały zmapowane do innej części kaiA. Williams postulował, że KaiA135N jest domeną pseudo-odbiornika, jest urządzeniem wejściowym synchronizującym, które kontroluje stymulację KaiA autofosforylacji KaiC, a zatem ma kluczowe znaczenie dla oscylacji okołodobowych.

Rodzaje białek KaiA

Wydaje się, że istnieją długie i krótkie typy białek kaiA. Typ długi, zebrany z Selongatus , Synechocystis sp. Szczep PCC 5803 i Synechococcus sp. Szczep WH8108 ma około 300 reszt aminoacylowych. Wysoki stopień konserwacji obserwuje się w karboksylowych końcach 100 reszt. Niezależne domeny na końcu karboksylowym to krótkie wersje z gatunku nitkowatego Anabaena sp. Szczep PCC 7120 i Nostoc punctiforme . Istnieją dwie niezależnie sfałdowane domeny białka kaiA: KaiA180C (końcowa grupa aminowa o strukturze głównie helikalnej alfa) i domena KaiA189N (domena na końcu karboksylowym, odpowiadająca resztom 1-189). Wydaje się, że białko kaiA S. elongates ma dwie domeny, regiony aminowe i karboksylowe, połączone helikalnym łącznikiem o około 50 resztach.

Funkcjonować

Cyjanobakterie wyświetlają system zegara okołodobowego, w którym trzy oscylatory białkowe, KaiA, KaiB i KaiC, tworzą system znany jako oscylator posttranslacyjny (PTO), który ułatwia oscylację większej pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego transkrypcji (TTFL). TTFL steruje ekspresją genów i uzupełnia KaiA, KaiB i KaiC, podczas gdy PTO stanowi rdzeń zegara okołodobowego sinic. Ten rdzeń Kai nadaje rytmikę okołodobową hydrolizy ATP i kinazy / fosfatazy aktywność, z których oba są kompensowane temperaturowo. Dodatkowo KaiB i KaiC, ale nie KaiA, mają 24-godzinny rytm dobowy w warunkach eksperymentalnych, takich jak swobodny bieg w warunkach stałego światła.

Oscylacja fosforylacji

Białka Kai, które zawierają PTO, generują okołodobowy zegar oscylującej fosforylacji/defosforylacji z okresem około 24 godzin. Białko KaiC jest enzymem z dwoma specyficznymi miejscami fosforylacji, treoniną 432 i seryną 431, które wyrażają rytmiczność fosforylacji/defosforylacji, w zależności od aktywności KaiA i KaiB. KaiA stymuluje fosforylację KaiC, aż KaiB sekwestruje KaiA, inicjując defosforylację w określonej sekwencji na treoninie 432 i serynie 431: KaiA stymuluje autofosforylację przez KaiC na treoninie 432, a następnie seryna 431 podąża za tym mechanizmem fosforylacji. Kiedy zarówno treonina 432, jak i seryna 431 są fosforylowane, KaiB wiąże się z KaiC, a ten kompleks, KaiBC, następnie blokuje działanie KaiA. KaiB może wykonać tę akcję sekwestracji tylko wtedy, gdy obecna jest KaiA, a kiedy ta akcja ma miejsce, KaiA nie może następnie aktywować KaiC do autofosforylacji. Treonina 432 jest najpierw defosforylowana, a następnie defosforylowana seryna 431, w którym to momencie KaiA stymuluje fosforylację miejsc KaiC, a system oscylacyjny rozpoczyna się od nowa.

Oscylacja ATPazy

Ta okołodobowa oscylacja związana z aktywnością kinazy i fosfatazy zachodzi w bezpośrednim związku z ATPazą działalność. W początkowych fazach oscylacji, kiedy KaiC nie tworzy kompleksu ani z KaiA, ani z KaiB, wewnętrzna, stała szybkość hydrolizy ATP kontroluje poziomy ATP. KaiA i KaiC wiążą się, tworząc kompleks KaiAC, który stymuluje autofosforylację KaiC. Ta wynikająca z tego fosforylacja stymuluje hydrolizę ATP. Białko KaiC następnie osiąga stan hiperfosforylacji po tym związaniu KaiA. W tym momencie hiperfosforylacji KaiB wiąże się z KaiC i następuje zahamowanie hydrolizy ATP. Następnie KaiC powraca do początkowego stanu nieskomplikowanego, a szybkość hydrolizy ATP ponownie stabilizuje się do szybkości wewnętrznej.

Interakcja KaiA i KaiC

Białka różnią się domenami C-końcowymi, jednak oba końce ułatwiają interakcję między białkami. Domena C-końcowa KaiA umożliwia dimeryzację, tworząc wklęsłą powierzchnię, która następnie oddziałuje z domeną C-końcową KaiC. Te domeny C-końcowe sąsiadują z pętlą spinki do włosów lub pętlą A, które razem nadają zainteresowanie: gdy mutacja powoduje utratę zarówno ogona A, jak i domeny C-końcowej, C-końcowy może pozostać ufosforylowany pod nieobecność KaiA, sygnalizując w ten sposób, że możliwą funkcją pętli A jest pomoc w autofosforylacji i autodefosforylacji KaiC.

KaiC ma 2 C-końcowe domeny wiążące: region CI ma domenę wiążącą KaiA CKABD1; Region CII ma domenę wiążącą KaiA CKABD2. C-końcowa domena CII KaiC utrzymuje funkcję kinazy i fosfatazy, które są regulowane przez kaiA. KaiA oddziałuje z tą domeną, która tworzy pętlę hamującą, stymulując aktywność kinazy CII i inicjując fosforylację Ser431 i Thr432, dwóch sąsiednich reszt CII. Wiązanie KaiC i KaiA prowadzi do rozplątania KaiA w pętlę A, zwiększając w ten sposób ruch regionu pętli P, regionu pętli trzymającego Thr-432 i Ser-431 oraz ATP. Przemieszczenie pętli A pozwala na uwolnienie sąsiednich pętli, dodatkowo promując fosforylację KaiC przez KaiA. Dowodem na to jest wykazanie, że jeden dimer KaiA jest w stanie popchnąć KaiC do stanu hiperfosforylowanego. Dimery KaiA wykazują 95% asocjację z heksamerami KaiC, w których więcej dimerów kaiA uczestniczy w interakcji z kaiC. Interakcja między KaiA i KaiC nie jest więc interakcją 1:1. Dimery KaiA prawdopodobnie elastycznie łączą się i dysocjują z dimerami KaiC, zamiast tworzyć stabilny kompleks, umożliwiając w ten sposób fosforylację wszystkich podjednostek KaiC w cyklu fosforylacji Kai.

Model złożony

Obrazowanie biochemiczne ujawniło składanie i rozkładanie różnych kompleksów Kai, które tworzą się podczas oscylacji zegara dobowego. Podczas tego procesu KaiA i KaiB wiążą się z miejscami na KaiC; model określa, że ​​KaiC następnie staje się KaiAC, gdy KaiA stymuluje autofosforylację, która następnie przekształca się w KaiBC, KaiABC, a następnie powraca do KaiC w miarę kontynuacji cyklu.

Modele hipotetyczne

„Cyjanobakterie to najprostsze organizmy, o których wiadomo, że wykazują rytmy okołodobowe”. Oscylator oparty na transkrypcji-translacji, innymi słowy TTO, jest proponowanym modelem, który postuluje, że KaiC negatywnie reguluje transkrypcję KaiBC, a KaiA pozytywnie reguluje transkrypcję kaiBC. Białka Kai nie regulują genów regulowanych rytmem okołodobowym, ale regulują ekspresję genów w całym genomie w modelu TTO cyjanobakterii. Przykładem tego jest operon kaiBC. Nadal nie jest jasne, w jaki sposób pętla sprzężenia zwrotnego transkrypcja-translacja utrzymuje okresowość i jak jest elastyczna wobec zmian środowiskowych. Ponieważ białka te są niezbędne do przystosowania się organizmu do środowiska, zrozumienie genów jest niezbędne w biologii okołodobowej. W sinicach Synechococcus elongates (PCC 7942) kaiA, kaiB i kaiC są niezbędnymi składnikami składającymi się na zegar okołodobowy. Model TTO sinic jest wątpliwy ze względu na odkrycie, że fosforylacja KaiC oscyluje niezależnie od transkrypcji / translacji operonu kaiBC. W związku z tym postulowano, że stymulator opiera się raczej na fosforylacji kaiC niż na pętli sprzężenia zwrotnego transkrypcji / translacji. KaiA zwiększa autofosforylację kaiC. KaiA i ATP promują fosforylację T432. KaiB łagodzi działanie kaiA. Zatem „autonomiczna oscylacja fosforylacji KaiC może być generowana przez współpracę między kaiA i kaiB”.

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=KaiA&oldid=1110745529 ”