Исследователи из Института молекулярной науки (IMS)/SOKENDAI и университета Кюсю обнаружили молекулярный механизм, который управляет «тиканьем» циркадных часов у цианобактерий.
Их исследование показывает, как белковый комплекс под названием KaiC контролирует химические реакции с поразительной точностью, действуя подобно часовой стрелке, которая ждёт, а затем движется в нужный момент. Результаты исследования были опубликованы в PNAS Nexus.
Чтобы адаптироваться к суточному вращению Земли, большинство живых организмов — от простых одноклеточных бактерий до сложных многоклеточных млекопитающих — развили внутренние системы хронометража, известные как циркадные часы.
Среди всех известных видов только цианобактерии обладают системой циркадных часов, которую учёные смогли полностью воспроизвести в пробирке. Эта система включает три белка: KaiA, KaiB и KaiC. Когда их смешивают в пробирке, KaiC подвергается циклу фосфорилирования и дефосфорилирования — ритмическому присоединению и отсоединению фосфатных групп, которое повторяется каждые 24 часа, как часы.
Несмотря на десятилетия исследований, оставался нерешённым ключевой вопрос: как именно фосфат присоединяется к KaiC? Другими словами, что приводит в движение часовую стрелку?
Чтобы ответить на этот вопрос, исследовательская группа под руководством доцента Ёсихико Фуруике и профессора Шудзи Акиямы из IMS/SOKENDAI, а также доцента Тосифуми Мори из университета Кюсю сосредоточилась на KaiC в изоляции, без KaiA и KaiB.
Эта упрощённая система позволила напрямую наблюдать процесс фосфорилирования. Вопреки предыдущим предположениям, исследователи обнаружили, что даже в одиночку KaiC может медленно связывать фосфат, указывая на то, что фундаментальное «тиканье» часов находится внутри самого KaiC.
Используя структурные данные KaiC, полученные с почти атомным разрешением, команда смоделировала химическую реакцию фосфорилирования с помощью молекулярной динамики и квантово-химических симуляций. Этот метод позволил им наблюдать, как фосфатная группа постепенно приближается и связывается с KaiC.
Команда обнаружила, что тонкие сдвиги в расположении определённых аминокислот, особенно остатков глутамата и аргинина, служат молекулярными триггерами. Эти остатки эффективно контролируют, может ли фосфатная группа связываться, тем самым приостанавливая или разрешая реакцию, как синхронизированные ворота. Другими словами, KaiC удерживает часовую стрелку неподвижно до тех пор, пока не наступит точный момент для «тиканья».
Механизм, обнаруженный в этом исследовании, не ограничивается цианобактериями. Многие организмы, включая человека, полагаются на фосфорилирование для регуляции своих внутренних часов. Таким образом, это исследование даёт фундаментальное представление об универсальной логике биологических часов.
Более того, поскольку фосфорилирование связано с различными заболеваниями, понимание того, как белки контролируют время химических реакций, может иметь далеко идущие последствия для биомедицины и разработки лекарств.
Хотя это исследование было сосредоточено на процессе фосфорилирования, дефосфорилирование остаётся менее изученным и является ключевой темой для будущих исследований.
Предоставлено Национальными институтами естественных наук.