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| KaiAドメイン | |||||||||
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 シネココッカス・エロンガトゥス由来の概日時計タンパク質 kaia の結晶構造 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | カイア | ||||||||
| パム | PF07688 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
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| KaiBドメイン | |||||||||
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 シネココッカス・エロンガトゥス・ササのN末端ドメインの溶液構造（平均最小化構造） | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | カイB | ||||||||
| パム | PF07689 | ||||||||
| ファム一族 | CL0172 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| 医療機器 | cd02978 | ||||||||
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| カイC | |||||||||
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 リン酸化部位を含む概日時計タンパク質 KAIC の全長の結晶構造 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | カイC | ||||||||
| パム | PF06745 | ||||||||
| ファム一族 | CL0023 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| 医療機器 | cd01124 | ||||||||
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分子生物学では、シアノバクテリアの時計タンパク質はシアノバクテリアの主な概日リズム調節因子です。シアノバクテリアの時計タンパク質は、KaiA、KaiB、KaiCの3つのタンパク質で構成されています。kaiABC複合体は、おそらく染色体の圧縮状態に作用して転写を抑制するプロモーター非特異的転写調節因子として機能する可能性があります。この複合体は、KaiABCオペロンから発現されます。
参照:細菌の概日リズム
複合体では、KaiA はkaiC のリン酸化状態を高めます。対照的に、複合体に kaiB が存在すると kaiC のリン酸化状態が低下します。これは、kaiB が kaiA と kaiC の相互作用に拮抗して作用することを示唆しています。KaiA の活性は kaiBC の発現を活性化し、KaiC はそれを抑制します。
また、KaiCファミリーには、RecA鎖転移酵素およびlonプロテアーゼの両方と配列類似性を共有する高度に保存された真正細菌タンパク質であるRadA/Smsがあります。RadA/Smsファミリーは、DNA修復とタンパク質、ペプチド、糖ペプチドの分解の両方に関与するATP依存性プロテアーゼである可能性があります。これらは、 MEROPSペプチダーゼファミリーS16（lonプロテアーゼファミリー、SJ族）の非ペプチダーゼホモログおよび未割り当てペプチダーゼに分類されています。RadA/Smsは、RecGおよびRuvABCとの遺伝的冗長性のため、組み換えおよび組み換え修復に関与しており、分岐DNA分子またはブロックされた複製フォークの安定化または処理に関与している可能性が高いです。[1]
構造
KaiAモノマーの全体的な折り畳みは4つのらせん束の折り畳みであり、既知の構造では二量体を形成します。[2] KaiAはホモ二量体として機能します。各モノマーは、N末端振幅増幅ドメイン、中央周期調整ドメイン、およびC末端クロック発振器ドメインの3つの機能ドメインで構成されています。シアノバクテリア由来のKaiAのN末端ドメインは疑似受信機ドメインとして機能しますが、応答調節因子のリン酸基転移に必要な保存されたアスパラギン酸残基を欠いています。[3] C末端ドメインは、二量体形成、KaiCへの結合、KaiCリン酸化の促進、および概日振動の生成を担っています。[4] Anabaena sp.（株PCC 7120）由来のKaiAタンパク質は、N末端CheY様ドメインを欠いています。
KaiBはα-βメアンダーモチーフを採用しており、二量体または四量体であることが分かっています。[2] [5]
KaiCはより大きなタンパク質ファミリーに属し、自己リン酸化を行い、自身の転写 抑制因子として機能します。ATPに結合します。[6]
代替手配
発見の歴史
これらの生物には核がないため、シアノバクテリアが概日リズムを表現できるかどうか疑問視されていました。近藤らは、シアノバクテリアが実際に概日リズムを持っていることを初めて明確に実証しました。1993年の実験では、彼らは、遺伝的に扱いやすいSynechococcus sp.に挿入されたルシフェラーゼレポーターを使用し、12:12 の明暗サイクルで育てて「同調」を確実にしました。細菌は 2 セットあり、この同調期間中、一方は明所、もう一方は暗所でした。細菌が定常期に入ったら、一定光量に保たれた試験管に移されました。ただし、30 分ごとの 5 分間の記録期間以外は、試験管は暗所に保たれ、生物発光のレベルが測定されました。彼らは、生物発光のレベルがほぼ 24 時間周期で循環し、2 つのグループが反対の位相で振動していることを発見しました。これにより、Synechococcus 属のゲノムは概日時計によって制御されているという結論に至りました。(1)
試験管内での機能
研究されてきた真核生物の概日振動子は、約 24 時間の周期でタンパク質が自身の転写を抑制するという負のフィードバックループを使用して機能します。これは、転写翻訳由来振動子 (TTO) として知られています。(2) 核を持たない原核細胞は、概日時間を維持するための別のメカニズムを持っている必要があります。 1998 年に、石浦らは、19 個の時計変異体をこれら 3 つのタンパク質の遺伝子にマッピングすることにより、Synechococcus の KaiABC タンパク質複合体が概日負のフィードバック ループに関与していることを突き止めました。(3) 2005 年の Nakajima らの実験では、Synechococcus KaiABC 複合体の概日振動をin vitro で実証することができました。彼らは、 KaiA、KaiB、KaiC、およびATP を、生体内で記録されたのとほぼ同じ比率で試験管に加えることでこれを行いました。その後、研究者らは KaiC のリン酸化レベルを計測し、減衰することなく 3 周期にわたって概日リズムを示していることを発見しました。この周期は温度補償も行っていました。また、変異型 KaiC タンパク質を KaiA、KaiB、ATP とともにインキュベートする試験も行いました。その結果、KaiC リン酸化の周期が、対応する変異ゲノムを持つシアノバクテリアの固有周期と一致していることが分かりました。これらの結果から、研究者らは、KaiC リン酸化が Synechococcus における概日リズム生成の基礎であると結論付けました (2)。
モデルシステムとしてのシアノバクテリア時計
シアノバクテリアは、概日リズムを示すことが観察されている最も単純な生物です。(2)(3) その原始性と単純さにより、KaiC リン酸化モデルは概日リズム研究にとって非常に貴重です。これは真核生物の概日リズム生成器のモデルよりもはるかに単純ですが、原理はほぼ同じです。どちらのシステムでも、概日周期は細胞内のタンパク質間の相互作用に依存しており、それらのタンパク質の遺伝子が変異すると、発現周期が変わります。(1)(2) この概日リズム生成モデルは、概日「進化生物学」の研究にも影響を与えます。シアノバクテリアとこの概日システムの単純さを考えると、真核生物の概日振動子はシアノバクテリアに存在するシステムと同様のシステムから派生していると想定しても間違いないでしょう。(1)
参考文献
- ^ Beam CE、Saveson CJ、Lovett ST (2002 年 12 月)。「大腸菌の組み換え中間体処理における radA/sms の役割」。J . Bacteriol . 184 (24): 6836–44. doi :10.1128/jb.184.24.6836-6844.2002. PMC 135464. PMID 12446634 。
- ^ ab Garces RG、Wu N 、Gillon W、Pai EF (2004 年 4 月)。「Anabaena の概日時計タンパク質 KaiA と KaiB は、そのパートナーである KaiC との潜在的な共通結合部位を明らかにする」。EMBO J. 23 (8): 1688–98. doi :10.1038/sj.emboj.7600190. PMC 394244. PMID 15071498 。
- ^ Williams SB、Vakonakis I、Golden SS、LiWang AC (2002 年 11 月)。「Synechococcus elongatus の概日時計タンパク質 KaiA の構造と機能: 潜在的な時計入力メカニズム」。Proc . Natl. Acad. Sci. USA . 99 (24): 15357–62. doi : 10.1073/pnas.232517099 . PMC 137721 . PMID 12438647。
- ^ 宇津巻 孝文、藤田 正之、中津 孝文、林 文文、柴田 秀、伊藤 暢、加藤 秀文、石浦 正文 (2004 年 7 月)。「シアノバクテリア KaiA タンパク質の C 末端クロック発振器ドメインの結晶構造」Nat. Struct. Mol. Biol . 11 (7): 623–31. doi :10.1038/nsmb781. PMID 15170179. S2CID 36997475.
- ^ Hitomi K, Oyama T, Han S, Arvai AS, Getzoff E (2005). 「概日時計タンパク質 KaiB の四量体構造。分子間相互作用の新しいインターフェースと概日リズムへの影響」J Biol Chem . 280 (19): 19127–35. doi : 10.1074/jbc.M411284200 . PMID 15716274.
- ^ Pattanayek R, Wang J, Mori T, Xu Y, Johnson CH, Egli M (2004). 「概日時計タンパク質の可視化：KaiCの結晶構造と機能的洞察」Mol Cell . 15 (3): 375–88. doi : 10.1016/j.molcel.2004.07.013 . PMID 15304218.