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| カイア | |||||||
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| 識別子 | |||||||
| 生物 | |||||||
| シンボル | カイア | ||||||
| ユニプロット | Q79PF6 | ||||||
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kaiAは、シアノバクテリアSynechococcus elongatusなどの細菌の概日リズムの調節に重要な役割を果たす「 kaiABC 」遺伝子クラスターの遺伝子です。 [1]これらの細菌にとって、kaiA発現の調節は、24時間の生物学的リズムを決定する概日リズムにとって重要です。さらに、KaiAはkaiBおよびKaiCに関連して負のフィードバックループで機能します。kaiA遺伝子は、 KaiCのリン酸化を促進するKaiAタンパク質を作り、KaiBはKaiAの活性を阻害します。 [2]
歴史
発見
概日リズムは多様な生物で発見されている。[3]これらのリズムはさまざまな生理活動を制御し、生物が環境条件に適応するのを助けます。[3]シアノバクテリアは概日リズムを示す最も原始的な生物です。[3]シアノバクテリアの時計は、約35億年前の最も古い化石が発見された藍藻類で初めて発見されました。石浦正博、スーザン・ゴールデン、カール・H・ジョンソン、近藤隆雄とその同僚は、シアノバクテリアの最小時計が3つのタンパク質、KaiA、KaiB、KaiCで構成されていることを発見しました。[3]（注：kaiは日本語で周期を意味します。）[4] 近藤が行った実験は、ルシフェラーゼ遺伝子を付加し、突然変異誘発を行うことでした。これは、KaiAを含むシアノバクテリア内で生物時計を再構成できる可能性のある遺伝子の最初の特定でした。[5]
シアノバクテリアは、概日時計を持つことが報告された最初の原核生物でした。 [6]シアノバクテリアの適応にとって、概日時計遺伝子は、窒素固定、細胞分裂、光合成の調節などの基本的な物理プロセスを制御しているため、非常に重要な形態を示します。[6] 初期の KaiA 研究は、1998 年の研究論文「シアノバクテリアの概日フィードバックプロセスとしての遺伝子クラスター kaiABC の発現」で行われ、そこでは、Kai C の発現を高めることで振動を維持するという遺伝子クラスターと KaiA の機能が詳しく説明されています。 KaiA は、細菌ルシフェラーゼを時計制御遺伝子発現のレポーターとして使用してSynechococcusの時計変異を研究しているときに発見されました。これは、科学者が KaiA と kaiABC 遺伝子クラスターのメカニズムと命名システムを初めて提案した例でした。[4]
注目すべき研究
研究者の中島正人、今井恵子、伊藤博、西脇妙子、村山頼子、岩崎秀夫、大山時隆、近藤隆夫は、「シアノバクテリアKaiCリン酸化の概日振動のin vitro再構成」実験を実施し、KaiA、KaiB、KaiCをATP、MgCl 2、緩衝液のみを含む試験管に入れました。[7]彼らは放射性ATPと、リン酸化されていないKaiCよりも少し速く動くリン酸化型のKaiCを使用しました。彼らはKaiCの自己加水分解に24時間リズムを観察しました。このシステムは温度補償もされており、24時間リズムに必要なのはKaiAを含む3つのタンパク質だけだった点が注目に値します。
コニー・フォン、ジョセフ・S・マークソン、クリスタル・M・ウィルホイト、マイケル・J・ラストによる論文「異なる感受性の触媒ドメインからの堅牢で調整可能な概日リズム」に掲載された研究では、KaiAとKaiCの数学的関係が示されており、KaiAはKaiCのリン酸化を刺激します。さらに、KaiBはKaiAを隔離し、KaiCの脱リン酸化を促進します。[8]
さらに、「シアノバクテリア時計タンパク質KaiC、KaiA、KaiBの概日リン酸化リズムのin vitro制御」では、細胞内KaiAおよびその他のKaiタンパク質のレベルに応じて、細胞の概日時計が概日リズムに同調するメカニズムを示しています。[9] KaiAのKaiBおよびKaiCに対する比率は概日リズムを表現し、異なる明暗条件に同調できるKaiA比率に基づいてKaiCのリン酸化を誘導します。
進化の歴史
シアノバクテリアは地球上で最も古い生物の一つであり、生態学的可塑性と適応性に関して最も成功していました。[6] Dvornykはkai遺伝子の系統発生解析を行い、kai遺伝子は異なる進化の歴史を持っていることを発見しました。kaiAが含まれるフィードバックループは約1,000 Myaに進化しました。[6] kaiA遺伝子の量はごくわずかであるため、その進化の完全な年代測定はできません。[6] kaiA遺伝子は一部の高等シアノバクテリアにしか見られないため、進化論的に言えば、kaiBやkaiCに比べて若い遺伝子です。[6] Synechococcus sp. PCC7942にはkaiAがありますが、 P.marinusには存在しません。これらは近縁の単細胞生物であるにもかかわらず、このことはkaiA遺伝子の進化上の若さをさらに示しています。[6] KaiA遺伝子は、kaiCサブツリーの種のゲノムにも見られ、Prochlorococcusよりも若い系統です。[6]したがって、kaiA遺伝子は、シネココッカスとプロクロロコッカスの種分化後、つまり約1,051 ± 1,16.9百万年前と944 ± 92.9百万年前に到来した可能性が高い。[6]
KaiA遺伝子は、糸状シアノバクテリア（アナベナとノストック）から単細胞シアノバクテリア（シネコッカスとシネコシティス）までの長さのシアノバクテリアにのみ存在し、単細胞シアノバクテリアは852-900bp長い。[6] KaiA遺伝子は、kai遺伝子の中で最も保存性が低い。[ 6] kaiA遺伝子とkaiB遺伝子のより短い相同遺伝子は、kaiC遺伝子とは異なり、3'末端に近い長いバージョンの1つのセグメントのみと一致します。これは、kaiAとkaiBが重複によって進化した可能性が低いことを意味します。[6]具体的には、kaiA遺伝子には1つのコピーしかありませんでした。[6]
遺伝学とタンパク質構造
KaiAの統計：284アミノ酸。[4] 分子量32.6kD。[4] 等電点4.69。[4]
Kaiタンパク質は、基本的なプロセス（光リセットフェーズ、温度補償、ad自由走行期間など）が真核生物のものと似ているにもかかわらず、どの真核生物時計タンパク質とも類似した配列を共有していません。[10] Kai遺伝子は、ほぼすべてのシアノバクテリアに見られます。[10] Williamsは、注釈付きのシアノバクテリアゲノムのうち6つに、 S. elongatesのkaiBおよびkaiC遺伝子と相同性を維持する2つの連続したORFがあることを発見しました。[10] これらの配列の関連性のうち、4つのkaiA遺伝子のみが区別可能であり、そのためkai遺伝子の中で最も配列が多様化しています。[10] Synechocystis sp .株PCC 6803ゲノムにはkaiA遺伝子が1つしかありませんが、kaiBとkaiCには複数あります。[10] KaiBとkaiCの相同遺伝子は他の真正細菌や古細菌にも見られますが、kaiAはシアノバクテリア（現在24時間の生物学的振動を持つ唯一の原核生物）にのみ見られるようです。[10]
KaiA 3つの機能ドメイン:
1) N末端ドメイン（振幅増幅）[11]
2) 中央周期調整器領域[11]
3) C末端クロック発振器ドメイン[11]
C末端ドメインは二量体形成を助け、KaiAがKaiCに結合できるようにします。これによりKaiCのリン酸化がさらに促進されます。[11]（以下の機能を参照）
KaiAの凹部の中心にはHis270残基があり、これはKaiAの機能に必須である。[11]
突然変異
クラスターの直接配列解析から、kaiAには19の変異体（単一アミノ酸置換）のうち3つの変異が見つかった。[4]したがって、クラスターとKaiタンパク質は、Synechococcusの概日時計に必要な機能を持っている。[4] IPTG誘導によるkaiAの過剰発現は不規則性をもたらし、周期性にはkaiAと他の遺伝子の発現が必要であることが示された。[4] kaiAの変異誘発により、短期変異はまれであるが、長期変異は豊富であることが明らかになった。[3]具体的には、西村は、301の長期変異、92の不規則変異体、および1つの短期変異のみがあることを発見した。 [3]したがって、西村は、kaiAの変異は通常、周期の延長につながると結論付けた。[3]例外は、KaiAで22時間という短い周期が見つかった変異体F224Sである。[3] KaiA変異体の周期は最大50時間で、一部の変異体は不整脈を示した。[3] KaiA変異は選択的に周期の長さを変えるようで、kaiAが周期を調節できることを示している。[3] さらに、kaiAタンパク質はkaiBCが活性化されているかどうかに関係なく、概日振動の周期の長さを調節することができる。[3]長い周期はkaiA内の変異とkaiBC発現の低下によって引き起こされた。[3]
KaiAはkaiBCの発現を増強することがわかっている。[4]特定の変異kaiAタンパク質はkaiBC発現の活性化の欠如のためにリズムを維持できなかったと仮定されている。[3]西村 は、ほとんどのKaiA変異がPkaiBC活性をさまざまなレベルに低下させたことを発見した。[ 3]これは、kaiAタンパク質がkaiBC活性を増強するという発見と一致している。 [3]彼の実験はさらに、kaiAがシアノバクテリアの時計の位相リセット機構の一部であることを示唆した。[3] kaiAのクラスター領域にマッピングされた変異は長周期表現型をもたらし、したがってkaiAクラスター領域が概日振動の周期の長さを調節する役割を果たしていることを示唆している。kaiBC発現を増加させる（リズムを可能にする）KaiAの領域は、不規則変異体（C53S、V76A、F178S、F224S、F274K）がkaiAの別の部分にマッピングされたため、クラスター領域にはない可能性が高い。[3] ウィリアムズは、KaiA135Nは擬似受信機ドメインであり、KaiAによるKaiCの自己リン酸化の刺激を制御するタイミング入力デバイスであり、概日振動に非常に重要であると仮定した。[10]
KaiAタンパク質の種類
kaiAタンパク質には長いタイプと短いタイプがあるようです。[10] S.elongatus、Synechocystis sp. Strain PCC 5803、およびSynechococcus sp. Strain WH8108から採取された長いタイプには、約300個のアミノアシル残基があります。 [10]カルボキシル末端の100残基には高度な保存性が見られます。[10]独立したカルボキシル末端ドメインは、糸状の種Anabaena sp. Strain PCC 7120およびNostoc punctiformeに由来する短いバージョンです。[10] kaiAタンパク質には、KaiA180C（主にαヘリックス構造のアミノ末端）とKaiA189Nドメイン（残基1-189に相当）の2つの独立して折りたたまれたドメインがあります。[10] S. elongatesのkaiAタンパク質は、約50残基のらせん状リンカーでつながれたアミノ領域とカルボキシル領域の2つのドメインを持っているようです。[10]
関数
シアノバクテリアは概日時計システムを示し、その中では3つのタンパク質発振器、KaiA、KaiB、KaiCが、より大きな転写翻訳負のフィードバックループ（TTFL）の振動を促進する翻訳後発振器（PTO）と呼ばれるシステムを構成します。[12] TTFLは遺伝子発現を促進し、KaiA、KaiB、KaiCを補充し、PTOはシアノバクテリアの概日時計の中核を構成します。[12]このKaiコアは、 ATP加水分解活性とキナーゼ/ホスファターゼ活性に概日リズムを与え、[13]両方とも温度補償されます。 [14]さらに、一定光の条件下での自由走行などの実験条件下では、KaiBとKaiCは24時間の概日リズムを持ちますが、KaiAはそうではありません。 [12]
リン酸化振動
PTOを構成するKaiタンパク質は、約24時間周期でリン酸化/脱リン酸化を振動させる概日時計を生成します。[2] KaiCタンパク質は、スレオニン432とセリン431という2つの特定のリン酸化部位を持つ酵素であり、KaiAとKaiBの活性に応じてリン酸化/脱リン酸化のリズムを表現します。[12] KaiAは、KaiBがKaiAを隔離するまでKaiCのリン酸化を刺激し、スレオニン432とセリン431で決められた順序で脱リン酸化を開始します。KaiAはスレオニン432のKaiCによる自己リン酸化を刺激し、次にセリン431がこのリン酸化のメカニズムに従います。[2]スレオニン432とセリン431の両方がリン酸化されると、KaiBはKaiCに結合し、この複合体KaiBCはKaiAの効果をブロックし始めます。[2] KaiBはKaiAが存在する場合にのみこの隔離作用を発揮することができ、この作用が起こるとKaiAはKaiCを活性化して自己リン酸化することができなくなります。[2]最初にスレオニン432が脱リン酸化され、続いてセリン431が脱リン酸化され、この時点でKaiAはKaiC部位のリン酸化を刺激し、振動システムが新たに開始されます。[12]
ATPase振動
キナーゼとホスファターゼの活性を伴うこの概日振動は、ATPase活性と直接関係して発生します。[15]振動の初期段階では、KaiC が KaiA または KaiB のいずれとも複合体を形成していない場合、ATP 加水分解の固有の一定速度が ATP レベルを制御します。KaiA と KaiC が結合して KaiAC 複合体を形成し、これが KaiC の自己リン酸化を刺激します。[2]この結果として生じるリン酸化は ATP 加水分解を刺激します。[15] KaiC タンパク質は、KaiA の結合後に過リン酸化状態に達します。この過リン酸化の時点で、KaiB が KaiC に結合し、ATP 加水分解の阻害が起こります。[15]その後、KaiC は最初の非複合体状態に戻り、ATP 加水分解速度は再び固有の速度に安定します。[15]
KaiAとKaiCの相互作用
これらのタンパク質はC末端ドメインが異なりますが、どちらの末端もタンパク質間の相互作用を促進します。[2] KaiAのC末端ドメインは二量体化を可能にし、KaiCのC末端ドメインと相互作用する凹面を形成します。[2]これらのC末端ドメインはヘアピンループ、またはAループに隣接しており、これらが一緒になって興味深いものをもたらします。突然変異によりAテールとC末端ドメインの両方が失われると、KaiAがなくてもC末端がリン酸化されたままになる可能性があるため、Aループの可能性のある機能はKaiCの自己リン酸化と自己脱リン酸化を助けることであると考えられます。[2]
KaiCには2つのC末端結合ドメインがあります。CI領域にはCKABD1のKaiA結合ドメインがあり、CII領域にはCKABD2のKaiA結合ドメインがあります。[16] KaiCのCII C末端ドメインは、kaiAによって制御されるキナーゼとホスファターゼの機能を維持します。[8] KaiAはこのドメインと相互作用して阻害ループを形成し、CIIキナーゼ活性を刺激し、2つの隣接するCII残基であるSer431とThr432のリン酸化を開始します。[8] KaiCとKaiAの結合により、KaiAがAループに解かれ、Thr-432とSer-431、およびATPを保持するループ領域であるPループ領域の動きが増加します。[12] Aループの変位により、隣接するループが解放され、KaiAによるKaiCのリン酸化がさらに促進されます。この証拠は、1つのKaiA二量体がKaiCを高リン酸化状態にすることができるという実証によって示されています。[12] KaiA二量体はKaiC六量体と95%の結合を示し、より多くのKaiA二量体がkaiCとの相互作用に参加します。[16]したがって、KaiAとKaiCの相互作用は1：1の相互作用ではありません。[16] KaiA二量体は安定した複合体を形成するのではなく、KaiC二量体と柔軟に結合および解離し、Kaiリン酸化サイクルですべてのKaiCサブユニットがリン酸化されるようにします。[16]
複合化モデル
生化学イメージングにより、概日時計の振動中に形成されるさまざまなKai複合体の組み立てと分解が明らかになりました。[12]このプロセスでは、KaiAとKaiBがKaiC上の部位に結合します。モデルでは、KaiAが自己リン酸化を刺激するとKaiCがKaiACになり、それがKaiBC、KaiABCに変換され、[17]サイクルが続くとKaiCに戻ると判定されています。[2]
仮説モデル
「シアノバクテリアは、概日リズムを示すことが知られている最も単純な生物です。」[16]転写翻訳ベースの発振器、つまりTTOは、KaiCがKaiBCの転写を負に制御し、KaiAがkaiBCの転写を正に制御すると仮定した提案モデルです。 [16] Kaiタンパク質は、シアノバクテリアのTTOモデルで概日リズム制御遺伝子を制御しませんが、ゲノム全体の遺伝子発現を制御します。[7]この一例は、kaiBCオペロンです。[7]転写翻訳フィードバックループがどのように周期性を維持し、環境の変化に対してどのように柔軟であるかはまだ不明です。[7]これらのタンパク質は生物が環境に適応するために不可欠であるため、概日生物学では遺伝子を理解することが不可欠です。[7]シアノバクテリア Synechococcus elongates (PCC 7942) では、kaiA、kaiB、kaiC が概日時計を構成する必須の要素です。[7] シアノバクテリアの TTO モデルは、KaiC のリン酸化が kaiBC オペロンの転写/翻訳に関係なく振動するという発見により疑問視されています。[7]したがって、ペースメーカーは転写/翻訳フィードバックループではなく、kaiC リン酸化に基づいていると仮定されました。[7] KaiA は kaiC の自己リン酸化を増強します。 [7] KaiA と ATP は T432 のリン酸化を促進します。[16] KaiB は kaiA の効果を緩和します。[7] したがって、「KaiC リン酸化の自律振動は、kaiA と kaiB の協力によって生成される可能性があります。」[7]
参照
参考文献
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