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蓝藻生物钟核心振荡器的KaiB-KaiC相互作用机制
刘松, 刘森    
三峡大学医学院分子生物学研究所, 宜昌 443002
摘要:蓝藻是已知的具有昼夜节律生物钟调控机制的最简单生物,其生物钟的核心是一个由三个蛋白质(KaiA、KaiB、KaiC)组成的,不依赖于转录翻译水平调控的核心振荡器.研究表明这三个蛋白质仅在体外试管中反应就会表现出周期性磷酸化振荡现象.分子水平研究表明:KaiA加速KaiC的自磷酸化,而KaiB抑制KaiA使KaiC去磷酸化,从而KaiC的磷酸化/去磷酸化形成周期性反复.但是KaiB如何与KaiA,KaiC相互作用,目前还不清楚.本文重点介绍了最近几年来在KaiB-KaiC相互作用机制上的研究进展,并结合我们的一些初步研究,对KaiB-KaiC相互作用的关键问题进行展望,以期为该体系的深入研究提供参考.
关键词生物振荡器     生物钟     KaiB     KaiC    
The Mechanism of KaiB-KaiC Interaction of The Cyanobacterial Circadian Oscillator
LIU Song, LIU Sen     
Institute of Molecular Biology, College of Medical Science, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
Abstract:Cyanobacteria are the simplest organisms with a confirmed circadian clock system. The pacemaker of cyanobacterial circadian clock is made of three proteins, KaiA, KaiB, and KaiC. A major finding on this system is that the circadian oscillation of the pacemaker system is independent of transcriptional/translational controls, and what is more intriguing is that this oscillation can be reconstituted in vitro with only these three proteins, in addition to ATP and an appropriate inorganic buffer. Molecular studies have shown that KaiA promotes the self-phosphorylation of KaiC, whereas KaiB antagonize KaiA's role and induce the de-phosphorylation of KaiC. An unsolved question is how KaiB interacts with KaiC exactly, including the binding site of KaiB on KaiC, the oligomerization form of KaiB, and the exact modulating mechanism of KaiB. Here, we reviewed the most recent progress on the KaiB-KaiC interaction mechanism, including our preliminary results on the KaiB-KaiC interaction, and provided a possible molecular mechanism of the molecular oscillator. We hope this review will provide a timely perspective on the study of this model system.
Key words: circadian oscillator     circadian clock     KaiB     KaiC    

生物钟广泛存在于生物体内,与基因表达、细胞代谢、细胞分裂增殖、生物节律行为都息息相关,调控着生命活动的几乎所有过程[1, 2, 3],表现出周期反复的生命现象(如生物展现的24 h昼夜节律行为).蓝藻是已知的具有昼夜节律生物钟的最简单模式生物.研究表明,蓝藻生物钟的核心振荡器由三个蛋白质(KaiA、KaiB、KaiC)维持,且不依赖于DNA转录水平和RNA翻译水平的调控(transcription/translation feedback loop,TTFL)[4],称为翻译后振荡(post-translational oscillation,PTO)[5].更为重要的是,该PTO振荡器可以仅用这三个蛋白质,在缓冲溶液中进行重构,表现出严格的昼夜节律振荡现象[6].因此,该体系对于体外研究蛋白质相互作用网络模式具有重要意义,对理解昼夜节律振荡器的形成机理也具有重要价值. 1 KaiABC核心振荡器简介

KaiA、KaiB和KaiC蛋白质是组成蓝藻(以Synechococcus elongatus PCC7942为例)生物钟核心振荡器的组分.Ishiura等[4]于1998年发现kaia、kaibkaic基因,后来逐渐解析得到它们所编码的蛋白质KaiA、KaiB、KaiC的三维结构.KaiA通过结构域交换,形成类似“蝴蝶”形状的同源二聚体[7].KaiB具有类硫氧还蛋白折叠结构,可形成二聚体、四聚体或六聚体[8].KaiC以外表类似双环状的同源六聚体形式存在,每个KaiC单体的N端和C端相似,分别称为KaiC-CⅠ和KaiC-CⅡ亚基.在并列的每两个CⅠ及CⅡ亚基之间,各能结合1个ATP分子.在CⅡ 亚基“尾端”(也是KaiC的“尾端”序列)包含残基498~519 位,与ATP的代谢及KaiA的结合有较大的联系[9]

Kondo等于2005年将这三个Kai蛋白在含有ATP的缓冲溶液中混合,发现可以重建出约24 h的昼夜节律振荡现象[6].该体外振荡器主要表现为:KaiC以约24 h为周期在低磷酸化状态和高磷酸化状态之间进行交替变化[10].质谱法和X射线衍射证实KaiC有2个关键的磷酸化位点,分别是在CⅡ亚基的S431 和 T432位[11].KaiC的磷酸化/去磷酸化循环包括四个步骤:a.T432的磷酸化;b.S431的磷酸化;c.T432的去磷酸化;d.S431的去磷酸化[12].这2个磷酸化位点的磷酸化和去磷酸化严格按照上面的顺序进行,形成一个精密的时间记录元件,单向记录时间的流逝.节律振荡现象如何形成,需从KaiA、KaiB、KaiC 蛋白质的最基本结构及其相互作用机制上去探究. 2 KaiA与KaiC 相互作用

KaiC的CⅡ亚基同时具有激酶和磷酸酶活性,形成同源六聚体后,分别使相邻的CⅡ亚基磷酸化和去磷酸化.CⅡ亚基处于低磷酸化状态时,KaiA通过结合CⅡ端的序列(即A-loop,488~497位),使KaiC的激酶活性升高,加速其向高磷酸化状态的转变;达到一定的磷酸化程度后,KaiB会结合KaiA,抑制其作用,从而使KaiC在磷酸酶的优势活性下,向低磷酸化状态转变[13, 14, 15, 16].仅仅一个单独的KaiA二聚体就可以有效上调KaiC六聚体的磷酸化状态使其达到磷酸化饱和水平[17].Liwang等[18]用核磁共振波谱法确定了KaiA连接在KaiC的C端“触须”上(473~518位).KaiC-CⅡ亚基上有一个S形环结构(称为A-loop,488~497位),KaiA可将A-loop推向KaiC六聚体中心位置,使埋藏在KaiC内部的A-loop 显露出来,这种结构变化进一步使ATP更加接近T432/S431这2个磷酸化位点,从而启动磷酸化循环[19, 20]3 KaiB与KaiC相互作用形式的争议

与KaiA以二聚体的形式连接到KaiC C端的“触须”(473~518位)部位不同,KaiB对这些“触须”不显示任何亲和力.而且在整个磷酸化循环中,KaiA均可以和KaiC结合,但是KaiB在不同磷酸化时,相对KaiC 的结合程度不同,优先选择结合KaiC的高磷酸化形式[21].利用不同的结构生物学的研究方法,包括低温电镜、负染色电镜、 X射线晶体学方法、非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(Native PAGE)、荧光标记方法和氢-氚交换质谱分析等,不同研究人员对KaiB与KaiC的相互作用方式,得出了截然不同的结论.Egli,Stewart等的实验证明KaiB结合到KaiC的 CⅡ环上[22, 23, 24, 25],而Liwang,Rust等的实验证明KaiB 结合在CⅠ 环 上[26, 27, 28, 29].同时,KaiB与KaiC的不同结合形式,通过何种机制影响和调控KaiA-KaiC的相互作用,也由于上述结合位点的争议,而产生不同的解释途径.另外,对于KaiB 以单体、二聚体还是四聚体的形式结合到KaiC上,也有不同的观点[15, 23, 24, 25, 27, 30]3.1 KaiB与KaiC的结合位点

KaiB与KaiC相互作用区域迄今尚不明确,且存在争议.目前的研究表明,KaiB 似乎既可以和KaiC的CⅡ亚基结合,也可以和CⅠ亚基发生结合.但对于KaiB是否只能与其中之一发生相互作用或结合,这是争议最大的地方.

KaiB 是可以和KaiC 的CⅡ亚基发生结合的,因为用构建的CⅡ亚基蛋白质和KaiB反应后,在Native PAGE实验中,会有条带迁移现象,但构建的CⅠ亚基蛋白质和KaiB 反应后无此现象[22].有证据证明KaiB 倾向于与高磷酸化状态的KaiC发生结合[21].小角散射模型显示,KaiB 以四聚合体的形式接近KaiA与KaiC的CⅡ端结合的顶部[22, 23, 24],由于KaiB邻近KaiA,则有可能占据KaiA与KaiC相互作用的某些位点.这有利于解释KaiB 对抗KaiA 的作用,解释KaiC的去磷酸化现象,也和KaiB 与高磷酸化KaiC发生相互作用这一现象一致.冷冻电镜和负染电镜观察到KaiB和带有6×His 标签胶体金颗粒标记的KaiC CⅡ端结合,更加直接地从影像上证明了KaiB 结合在KaiC 的CⅡ端[25].而最近的氢-氚交换实验,证明KaiC 和六个单体KaiB 发生结合,联合分子动力学模拟,则更加清楚地表明KaiB 和KaiC 发生相互作用的位点在CⅡ亚基上,认为KaiB 能和ATP 竞争CⅡ亚基某些位点[30].Villarreal等[25]的研究,较好地支持KaiB-KaiC相互作用发生在CⅡ端的ATP沟槽,模拟和实验结果也说明KaiB 和KaiC CⅡ结构域发生结合.

具有争议的是,目前也有一些实验证明KaiB 是和KaiC 的CⅠ结构域发生相互作用.利用NMR分析和分子筛实验,Chang等[26]证明KaiB 结合在KaiC CⅠ结构域.但KaiB一般情况下是不能结合到KaiC的CⅠ亚基上的,因为这个结合位点是隐藏的.但是当CⅡ和CⅠ之间有堆积力的作用,使CⅠ构象发生变化,暴露出KaiB 结合位点时,KaiB才能结合上去.而且在KaiB的协助下,KaiA也会结合到KaiC的CⅠ结构域[27].从而,KaiB与KaiA 形成复合物,拮抗KaiA 对KaiC的促磷酸化作用.Phong 等[28]通过免疫共沉淀实验证明,当KaiC的CⅠ催化结构域发生突变时,KaiB 结合到KaiC 的量会显著减少,但CⅡ催化结构域的突变不会有这种变化.这说明KaiB有可能结合在CⅠ结构域来调节KaiC 的磷酸化程度.当KaiB 不能和KaiC CⅠ结构域结合时,KaiC 会一直保持着高磷酸化状态,从而不能维持一个正常的磷酸化振荡[28].随后Mutoh等[29]T.elongatus KaiC和KaiB1-94孵育,利用Native PAGE的方法,也证实了KaiB 和KaiC CⅠ发生结合,而没有和KaiC CⅡ结合.在这个实验中 KaiB1-94是和 KaiC 单体或KaiC CⅠ单体结合,但是野生型KaiB 不和KaiC 单体结合.后来Liwang等利用NMR实验,进一步证明截短了的KaiB(用KaiB*表示,KaiB1-94位,且有突变 Y8A/Y14A)和KaiC CⅠ能形成复合物.截短了N端的KaiA(KaiA*N,147~281位)和KaiC CⅠ不能形成复合物,但是在KaiB*存在的情况下,KaiA*N能和 KaiC CⅠ、KaiB*形成三元复合物[27].这个研究表明,KaiB是和KaiC CⅠ结构域发生结合的,且结合后的结构能为KaiA 提供结合位点,从而拮抗KaiA对KaiC 的促磷酸化作用,由此或加速或稳定此磷酸化振荡.该研究进一步认为KaiB 和KaiC反应发生在CⅠ结构域的B-loop(116~123位),B-loop由一些非极性氨基酸及带负电的氨基酸残基组成.综上所述,可以看出KaiB 和KaiC CⅠ结构域发生相互作用时,是发生在KaiC 非六聚体状态,或高磷酸化的六聚体状态.这意味着KaiB 与KaiC 在发生结合时,有一个构象变化的过程,但是这个过程是如何发生的,目前并不清楚.有可能是KaiB 和KaiC CⅠ结构域发生相互作用,影响CⅠ结构域的ATP酶活性,从而影响KaiC的磷酸化振荡[21, 27, 28]

无论上述哪一方面的研究,从细微处分析,都有不尽完善的地方.在支持KaiB与KaiC的CⅡ亚基结合的研究中,冷冻电镜虽然能观察到KaiB 和KaiC CⅡ结构域有结合,但是其分辨率显然是不够的,而且KaiC 两个结构域的对称性导致很难说清楚KaiB 究竟与哪个结构域发生结合[31];虽然用胶体金标记后的CⅡ和KaiB 发生结合现象较明显,但是这个过程中有6×His 标签的引入,也容易出现假象;Native PAGE 实验的误差可能会较大,而且这两个结构域蛋白质是改造后的,或许会改变其某些性质[22].而在支持KaiB与KaiC的CⅠ亚基结合的研究中,作为实验材料的KaiB*,KaiC CⅠ结构域,KaiC 都是人为改造过的,KaiB1-94是截断了其C 端的KaiB,而不是野生型KaiB,高磷酸化的KaiC用KaiCEE(S431E,T432E)进行模拟等,这些变化使实验结果也存在疑点.因此,在今后的研究中,还有待进一步阐明KaiB与KaiC的准确结合部位. 3.2 KaiB对KaiABC体系的调节机制

虽然KaiB与KaiC的具体结合位点存在争议,但不管KaiB结合在KaiC的哪个部位,KaiB 的结合都应该可以占领或影响KaiA与KaiC的结合,因为在KaiB的作用形式上,目前的研究一致认为是通过抑制KaiA与KaiC的结合,来实现使KaiC从高磷酸化状态向低磷酸化状态的转变.实验证据是,在没有KaiB参与的情况下,KaiC不能维持稳定的磷酸化振荡,而只是持续的高磷酸化状态,同时KaiB 偏向结合高磷酸化状态的KaiC[13]

实验证据表明,不同磷酸化状态的KaiC在结构上会有一些变化[32],由此推测KaiB 结合到KaiC上需要在特定的时期,此时KaiC结构变化能提供KaiB的结合位点[10, 26, 27].这说明KaiC的空间结构在磷酸化反应时必定有随时间的渐变过程.如何解释KaiB在此过程中的参与形式,也与KaiB在KaiC上的结合位点密切相关,因此也有不同的观点.

若KaiB是结合在KaiC的CⅡ亚基上,那么KaiB最可能是通过结合在KaiC的CⅡ端,直接占据KaiA的结合位点,或形成空间位阻,来影响KaiA与KaiC 的结合.实验证据表明,KaiB最易和KaiC pST 状态(KaiC 431位丝氨酸已磷酸化,而432位苏氨酸未磷酸化状态)发生结合,因此KaiB 结合到高磷酸化状态的KaiC上使其进入去磷酸化相位[10, 32]. KaiB易于和KaiC pST 状态结合,而KaiC高磷酸化的表面静电势明显不同于低磷酸化的KaiC 表面静电势.KaiB结合到KaiC pST 状态后会改变KaiC 的磷酸化,也会改变KaiC的表面静电势.故可以理解为KaiB 是通过改变KaiC 的表面静电势而改变KaiC 的磷酸化状态.而此时的KaiC pST 状态则是一个表面静电势能改变的临界状态,KaiB 结合到CⅡ结构域后,可能会改变KaiC此时的表面静电势,而推动KaiC进入去磷酸化相位[24].此外,也有研究表明,KaiB可能通过结合到KaiC CⅡ亚基的ATP 结合槽上,影响ATP 的结合,调节KaiC 磷酸化振荡.当KaiC达到一定的磷酸化程度后,其CⅡ的激酶活性由 于KaiB对ATP 结合槽的影响而转向为ATP合成酶活性和ATP水解酶活性,从而进入去磷酸化相位[29, 33].这一点也意味着,ATP/ADP的浓度比例能影响KaiABC 磷酸化振荡体系.因此,从一定意义上可以说,KaiB是KaiABC 磷酸化振荡体系的核心调节元件,该调控受到ATP 比例[29, 33]及体系所处氧化还原状态和其他因子的调节[27]

如前所述,目前也有很多研究支持KaiB结合到KaiC CⅠ亚基而非CⅡ亚基.KaiC 的CⅠ亚基只有ATP酶活性,KaiB 的结合会影响CⅠ亚基的ATP 酶活性.但目前的实验证据,都表明KaiB只和CⅠ单体,或CⅠ环中B-loop(116~123位)位点结合.B-loop 是CⅠ结构域上一个表面带负电荷较强的区域,KaiB 截断C 端后的蛋白(KaiB1-94和KaiB*)能有效结合上去.KaiB1-94和KaiB*不同于全长KaiB的是它会暴露出正电荷较强的区域[34],因此从表面电势角度能很好地解释KaiB与KaiC CⅠ亚基B-loop的相互作用.CⅠ结构域是一个比较稳定的结构域,但是研究表明,KaiB单体只与KaiC CⅠ单体或CⅡ-CⅠ堆积后的结构发生结合[26, 27, 29],这说明KaiB结合到KaiC上后,会导致KaiC CⅠ结构的不稳定.由于这一点能够更好地解释KaiC的单体交换模型,因此KaiB 对CⅠ的结合可能有利于KaiC之间的单体交换,从而保证KaiC 能有稳健的磷酸化振荡现象[10, 15, 31]

有研究表明,截去KaiB C 端后的蛋白(KaiB1-94),不影响KaiABC 体外重构体系的正常磷酸化循环,但是会减弱体内条件下的KaiC磷酸化反应节律[34].这点也许意味着,KaiB是一个调节KaiC的因子,需要特殊的空间结构,在此结构中,KaiB的C端残基(95~108位)与体外调节KaiC 无关,但是很可能在体内被KaiA及其他蛋白所调节[27],从而使该体系在体内没有正常的磷酸化振荡,在体外却有正常的磷酸化振荡.而KaiB1-94的表面电荷有很大的改变,可能更利于和KaiC的结合.同时,KaiB的C端对KaiB形成聚合体也可能有一定的影响. 3.3 KaiB与KaiC结合时的聚合体状态

虽然当前的研究都表明,KaiB可以与KaiC直接发生相互作用,但对于KaiB以何种形式与KaiC结合,却有不同的观点.Kageyama等[15]用分子筛实验显示,KaiB以二聚体的形式和KaiC结合.而Akiyama等[23]用小角散射结合模拟的方法,显示KaiB以四聚体的形式和KaiA的二聚体一起结合在KaiC CⅡ亚基顶端.同样是用小角散射的方法,Pattanayek等[24]却发现KaiB是以二聚体的形式结合在KaiC 的CⅡ亚基上的.Murakami等[34]的研究显示,KaiB的二聚体、四聚体都参与了KaiC的正常体外磷酸化振荡反应.而最近Villarreal等[25]的研究指出,KaiB是以单体的形式与KaiC形成复合物的.Tseng等[27]的研究进一步预测了KaiB单体和KaiC的结合位点,完善了KaiA-KaiB-KaiC 体外磷酸化反应机制.有意思的是,Snijder等[30]用质谱的手段发现在与KaiC的结合过程中,KaiB的单体、二聚体、四聚体等形式都有参与,他们指出KaiB单体是和KaiC发生反应的基本单位,而且不排除KaiB能和KaiC的 CⅠ、CⅡ环都发生反应.综合来看,最为合理的解释是,KaiB的单体、二聚体和四聚体形式,在不同的阶段,与KaiC形成不同的复合物,KaiB聚合状态的动态变化,可能与KaiC的磷酸化振荡息息相关.为研究KaiB-KaiC的相互作用形式,我们在研究中以蛋白质模拟及基因工程的方法构建了KaiB的共价二聚体,以使其不能解离为单体,结果发现该KaiB聚合体形式不能维持KaiA-KaiB-KaiC体系的正常体外磷酸化振荡(待发表结果).

故综合上述,我们总结KaiB对于KaiABC体系的意义于图 1.KaiB的尾端可能对其聚合状态有重要的影响,不同时期可能KaiB有不同的聚合体形式和KaiC 发生相互作用.据目前的实验表明,KaiB 可能结合在KaiC CⅠ和CⅡ亚基.如果KaiB 结合在CⅡ亚基上则主要可能是通过影响KaiC CⅡ的表面电势能调节KaiC 运行.也有可能是阻碍KaiA 与KaiC 的结合位点来调节KaiC 的振荡.还有可能是调节ATP 与KaiC 的反应来调节KaiABC 的正常运行.如果KaiB结合在KaiC CⅡ亚基上,我们将其归纳为对KaiC磷酸化位点的直接调节作用.由于KaiC CⅠ结构的特殊性,只有ATP 酶活性,且较稳定.KaiB 如果结合在KaiC CⅠ上则会影响 KaiC CⅠATP酶活性.KaiB 与 KaiC CⅠ B-loop 结合也会为KaiA 提供结合位点.KaiB 结合到CⅠ上有可能会导致CⅠ结构不稳定,而有利于KaiC 进行单体交换.SasA 结合在CⅠ上,KaiB 可能对其有竞争作用,从而调节SasA,通过SasA而调节下游的反应.如果KaiB 结合到CⅠ亚基上,则可能是从KaiC 的结构稳定性方面来间接调节KaiABC反应,我们将其归纳为对KaiC结构稳定性的间接调节作用.

Fig. 1 The meanings of KaiB interacting on different KaiC subdomain 图 1 KaiB作用于KaiC不同亚基的意义 KaiB 的多种聚合体形式能结合到KaiC的不同亚基,如果结合到CⅡ亚基上,则可能是通过对CⅡ亚基的磷酸化位点进行调节,如果结合到CⅠ亚基上,则可能是通过对CⅠ的结构稳定性进行调节,从而调节KaiABC 反应.
4 KaiABC相互作用机制的推测

如前所述,在KaiB与KaiC的结合位点上,目前不同的研究有不同的观点.我们注意到,支持KaiB与KaiC的CⅡ亚基结合的结论大多都来自于电镜实验[23, 24, 25, 31].由于电镜的分辨率较低,且KaiC的CⅠ、CⅡ亚基及其相似,因此事实上很难确定KaiB是与CⅡ亚基结合.进一步导致不确定性的是,KaiB的结合会导致KaiC结构的变化,CⅠ亚基的平面结构有可能在KaiB结合后变成类似CⅡ亚基的曲面结构[26].因此,综合目前的研究来看,KaiB与KaiC的CⅠ端结合的模型具有更高的可信度[27, 30].但是也不排除KaiB与KaiC 的CⅠ、CⅡ亚基在不同的时期都有结合反应.我们以此为基础,提出KaiA-KaiB-KaiC相互作用的一个可能机制如下(图 2).

Fig. 2 The model of KaiABC core oscillator 图 2 KaiABC 核心振荡器动态反应模型 (a) KaiA 结合KaiC CⅡ环的A-loop. (b) KaiC CⅠ-CⅡ产生变构效应,KaiB结合CⅠ环的B-loop. (c) KaiC自身激酶活性达到最大值. (d) KaiC磷酸酶活性增加,开始去磷酸化. (e) KaiA,KaiB的作用加速KaiC的去磷酸化. (f) KaiC 回到初始状态,准备新一轮磷酸化循环.

a.KaiC CⅡ环的A-loop(488~497位)与KaiA结合,导致其A-loop 从CⅡ环里被牵引出来,引起CⅠ-CⅡ的环-环堆积(ring-ring stacking),使KaiC自身激酶活性升高[19, 20, 26]

b.CⅠ-CⅡ发生变构效应,导致CⅠ能暴露出和KaiB 结合的位点B-loop(116~123位,红色部分表示B-loop 暴露出结合位点),从而KaiB能与CⅠ结合,同时KaiA随着KaiC自身激酶活性的升高,其和KaiC 的结合数量慢慢减少[27]

c.当KaiC自身激酶活性达到最高时,与KaiC结合的KaiB也是最多的.此时KaiC内部的磷酸化状态达到最高,CⅠ-CⅡ结构变得极其致密.KaiC结构的这种变化,得到了实验的证实[32].

d.由于KaiC结构的变化,此时其磷酸酶活性上升,KaiC开始去磷酸化,KaiB-KaiC 结合后极其饱满,CⅠ环会由原来较平坦的状态形成凸起的曲面,导致其形态像CⅡ环,也给KaiA结合提供了合适的空间结构[27]

e.KaiA 结合到KaiB-KaiC的结合部位,但此三元复合物状态反应时间很短,所以目前没有在实验中得到该结合状态的模型.KaiA转移结合到能给其提供结合位点的CⅠ亚基上,使其不再促进KaiC的磷酸化,反而加速去磷酸化,从而KaiC由其高磷酸化状态向低磷酸化状态转变[21, 27]

f.KaiC去磷酸化到一定程度,其CⅠ-CⅡ结构由紧密堆积变疏松,CⅠ环的B-loop重新隐藏,而CⅡ环的A-loop逐渐有利于被牵引出,此时磷酸化酶活性最低,自身激酶活性开始逐渐升高,KaiC六聚体慢慢转变成一种“感受态”状态,为KaiA的下一轮结合做好准备.

通过上述机制,KaiABC体系从而得以循环往复,表现出有节律的KaiC磷酸化振荡现象.当然,此过程中可能伴随着KaiC 的单体交换,KaiB 的聚合体状态的改变等情况. 5 总结与展望

KaiABC体系,是目前唯一一个能在试管中进行重构的,不含DNA和RNA水平调控的昼夜节律生物振荡器.因此研究其分子机制,对理解蛋白质相互作用网络、生物振荡器以及高等生物昼夜节律现象等,都具有重要价值.目前的研究表明,在该体系中,KaiA的结合使KaiC加速磷酸化,而KaiB拮抗KaiA的作用,由此实现KaiC磷酸化状态的周期性变化.在此过程中,当前的研究对于KaiB与KaiC的具体结合部位、结合形式、结合状态等都存在一些争议,有些观点甚至是截然相反.对这些争议的解决,有待更多实验证据的出现.例如得到KaiB-KaiC相互作用复合物的高分辨率结构及KaiA-KaiB-KaiC三元复合物的高分辨率结构,将能有效帮助回答KaiB在KaiC上的结合位点的问题.进一步若能通过实验手段,捕获该体系动态转变过程中不同阶段的复合物,将有可能回答KaiB与KaiC的结合是否存在构象和位置的连续动态变化,从而统一目前的争议观点.我们相信,对KaiB-KaiC相互作用机制的阐明,将大大加深我们对KaiABC核心振荡体系的理解,并对相关体系的研究产生重大影响,也有助于我们对其他复杂生物钟的理解.

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中国科学院生物物理研究所和中国生物物理学会共同主办
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文章信息

刘松, 刘森
LIU Song, LIU Sen
蓝藻生物钟核心振荡器的KaiB-KaiC相互作用机制
The Mechanism of KaiB-KaiC Interaction of The Cyanobacterial Circadian Oscillator
生物化学与生物物理进展, 2015, 42(3): 220-227.
Progress in Biochemistry and Biophysics, 2015, 42(3): 220-227.
http://dx.doi.org/10.16476/j.pibb.2014.0203

文章历史

收稿日期:2014-11-04
接受日期:2014-12-03

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