KaiA

kaiA-
identifierare
Organism S. elongatus
Symbol kaiA
UniProt Q79PF6
Söka efter
Strukturer Schweizisk modell
Domäner InterPro

kaiA är en gen i " kaiABC "-genklustret som spelar en avgörande roll i regleringen av bakteriella dygnsrytmer , såsom i cyanobakterien Synechococcus elongatus . För dessa bakterier är reglering av kaiA-uttryck avgörande för dygnsrytmen, som bestämmer den biologiska 24-timmarsrytmen. Dessutom fungerar KaiA med en negativ återkopplingsslinga i förhållande till kaiB och KaiC . KaiA-genen gör KaiA-protein som förbättrar fosforyleringen av KaiC medan KaiB hämmar aktiviteten av KaiA.

Historia

Upptäckt

Dygnsrytmer har upptäckts i en mångfald av organismer. Dessa rytmer styr en mängd olika fysiologiska aktiviteter och hjälper organismer att anpassa sig till miljöförhållanden. Cyanobakterier är de mest primitiva organismerna som uppvisar en cirkadisk svängning. Cyanobakterieklockor grundades först i blågröna alger med de äldsta kända fossilerna cirka 3,5 miljarder år gamla. Susan Golden , Carl H. Johnson och Takao Kondo var de individer som fann att den minimala cyanobakterieklockan består av 3 proteiner: KaiA, KaiB och KaiC. (Obs: kai betyder cykel på japanska.) Experimentet som Kondo utförde bestod av att fästa luciferasgenen och utföra mutagenes. Detta var den första identifieringen av möjliga gener som kunde rekonstituera en biologisk klocka inom cyanobakterier, varav KaiA ingick.

Cyanobakterier var de första prokaryoter som rapporterades ha en dygnsrytmklocka. För anpassning av cyanobakterier uppvisar dygnsrytmklockgener former av betydande betydelse eftersom de reglerar grundläggande fysiska processer som reglering av kvävefixering, celldelning och fotosyntes . Tidig KaiA-forskning utfördes i forskningsartikeln från 1998, "Expression of a Gene Cluster kaiABC as a Circadian Feedback Process in Cyanobacteria", där den beskriver funktionerna hos genklustret och KaiA genom att det upprätthåller svängningarna genom att förbättra Kai C-uttrycket. KaiA upptäcktes när man studerade klockmutationerna i Synechococcus genom att använda bakterier luciferas som reporter om klockkontrollerat genuttryck. Detta var det första fallet där forskare först föreslog en mekanism och ett namnsystem för KaiA och kaiABC-genklustret.

Anmärkningsvärd forskning

Forskarna Masato Nakajima, Keiko Imai, Hiroshi Ito, Taeko Nishiwaki, Yoriko Murayama, Hideo Iwasaki, Tokitaka Oyama och Takao Kondo genomförde experimentet "Reconstitution of Circadian Oscillation of Cyanobacterial KaiC Phosphorylation in Vitro" tog KaiA, Kai KaiC och satte dem. i rör med endast ATP, MgCl2 och buffertar. De använde radioaktivt ATP och den fosforylerade formen av KaiC som går lite snabbare än ofosforylerad KaiC. De såg en 24-timmarsrytm i autohydrolysering av KaiC. Systemet är också temperaturkompenserat och var anmärkningsvärt eftersom de bara behövde tre proteiner, inklusive KaiA, för tjugofyra timmars rytm.

Forskning publicerad i tidningen "Robust and Tunable Circadian Rhythms From Differentially Sensitive Catalytic Domains", gjord av Connie Phong, Joseph S. Markson, Crystal M. Wilhoite och Michael J. Rust, visar det matematiska förhållandet mellan KaiA och KaiC där KaiA stimulerar fosforyleringen av KaiC. Dessutom binder KaiB KaiA, vilket främjar KaiC-defosforylering.

Dessutom visar "In vitro-reglering av cirkadisk fosforyleringsrytm av cyanobakteriellt klockprotein KaiC, KaiA och KaiB," indragningsmekanismen för cellulär dygnsklocka med dygnsrytm som svar på intracellulära nivåer av KaiA och de andra Kai-proteinerna. KaiA-förhållanden till KaiB och KaiC uttrycker en dygnsrytm och vägleder fosforylering av KaiC baserat på KaiA-förhållanden som kan medföra i olika ljus mörka förhållanden.

Evolutionshistoria

Cyanobakterier var en av de äldsta organismerna på jorden och mest framgångsrika när det gäller ekologisk plasticitet och anpassningsförmåga. Dvornyk utförde fylogenetisk analys av kai-gener och fann att kai-generna har olika evolutionär historia. Återkopplingsslingan som kaiA befinner sig i utvecklades omkring 1 000 Mya. Minimal mängd kaiA-gener förbjuder en fullständig datering av deras evolution. Eftersom de bara finns i vissa högre cyanobakterier, är kaiA-gener de yngsta i jämförelse med kaiB och kaiC, evolutionärt sett. Synechococcus sp. PCC7942 har kaiA medan P.marinus inte har det, även om de är närbesläktade encelliga organismer, vilket ytterligare visar den evolutionära ungdomen hos kaiA-genen. KaiA-gener finns också i genomen hos arten av kaiC-underträdet, i yngre klader än Prochlorococcus . Således kom kaiA-gener med största sannolikhet efter artbildningen av Synechococcus och Prochlorococcus , cirka 1 051 ± 1,16,9 och 944 ± 92,9 Mya.

KaiA-gener finns endast i cyanobakterier med en längd som sträcker sig från en filamentös cyanobakterie ( Anabaena och Nostoc ) till encelliga cyanobakterier ( Synechoccus och Synechocyti s), som är 852-900 bp längre. KaiA-generna är de minst bevarade bland kai-generna. Kortare homologer av kaiA- och kaiB-gener matchar endast 1 segment av deras längre versioner närmare 3'-terminalen, till skillnad från kaiC-gener. Detta antyder att kaiA och kaiB sannolikt inte har utvecklats genom duplicering. Specifikt hade kaiA-genen bara en enda kopia.

Genetik och proteinstruktur

KaiA-statistik: 284 aminosyror; Molekylmassa av 32,6 kD; Isoelektrisk punkt på 4,69.

Kai-proteinerna delar inte en liknande sekvens som något eukaryotiskt klockprotein, även om grundläggande processer liknar de hos eukaryota organismer (såsom ljusåterställningsfas, temperaturkompensation, annonsfri löpperiod). Kai-gener finns i nästan alla cyanobakterier. Williams fann att 6 av de annoterade cyanobakteriella genomen hade 2 sammanhängande ORF som bibehöll homologi med S. elongates kaiB- och kaiC-gener. Av dessa sekvensassociationer är endast fyra kaiA-gener urskiljbara, vilket gör den till den mest sekvensdiversifierade av kai-generna. Synechocystis sp . Stam PCC 6803-genomet har bara en kaiA-gen, medan multipla finns i kaiB och kaiC. KaiB- och kaiC-homologer kan hittas i andra eubakterier och archaea, men kaiA verkar bara finnas i cyanobakterier (för närvarande de enda prokaryoterna med 24-timmars biologisk svängning).

KaiA Tre funktionella domäner:

1) N-terminal domän (amplitudförstärkare)

2) Central period-justerare domän

3) C-terminal klockoscillatordomän

Den C-terminala domänen hjälper till vid dimerbildning, vilket gör det möjligt för KaiA att binda till KaiC. Detta förbättrar ytterligare KaiC-fosforylering. (se funktioner nedan)

I mitten av den konkava delen av KaiA finns rester His270, vilket är väsentligt för KaiA-funktionen.

Mutationer

Det finns 3 mutationer av 19 mutanter (enkla aminosubstitutioner) som hittas i kaiA från direkt sekvensering av klustret. Såväl klustret som Kai-proteinerna har nödvändiga funktioner för Synechococcus dygnsklocka . IPTG-inducerat överuttryck av kaiA ledde till arytmicitet, vilket visar att rytmicitet kräver uttryck av kaiA såväl som de andra generna. Mutagenes av kaiA avslöjar att det sällan förekommer korttidsmutationer, utan ett överflöd av långtidsmutationer. Specifikt fann Nishimura att det finns 301 långtidsmutationer, 92 arytmiska mutanter och bara en enda kortperiodmutation. Således drog Nishimura slutsatsen att kaiA-mutationer vanligtvis leder till en förlängning av perioden. Ett undantag skulle vara mutanten F224S där en kort period på 22 timmar hittades i KaiA. KaiA-mutantperioder sträckte sig upp till 50 timmar där vissa mutanter uppvisade arytmicitet. KaiA-mutationer verkar selektivt ändra periodlängden, vilket visar att kaiA kan reglera perioden. Vidare kan kaiA-proteiner reglera längden på en period av den cirkadiska oscillationen oavsett om kaiBC aktiverades eller inte. Långa perioder orsakades av mutation inom kaiA såväl som sänkningen av kaiBC-uttryck.

KaiA har visat sig förbättra kaiBC-uttrycket. Det postuleras att vissa mutanta kaiA-proteiner misslyckades med att upprätthålla rytmicitet på grund av en brist på aktivering av kaiBC-uttryck. Nishimura fann att de flesta KaiA-mutationer minskade PkaiBC-aktiviteten till olika nivåer. Detta överensstämmer med upptäckten att kaiA-proteiner förbättrar kaiBC-aktivitet. Hans experiment föreslog vidare att kaiA är en del av den cyanobakteriella klockans fasåterställningsmekanism. Mutationer som kartlades till klusterregioner av kaiA ledde till fenotyper med långa perioder, vilket tyder på att kaiA-klusterregioner spelar en roll för att reglera periodlängden för dygnsrytmsvängningar. Regioner av KaiA som ökar kaiBC-uttrycket (som tillåter rytm) är troligen inte i klusterregioner eftersom arytmiska mutanter (C53S, V76A, F178S, F224S, F274K) kartlades till olika delar av kaiA. Williams postulerade att KaiA135N är en pseudo-mottagardomän är en tidsinmatningsenhet som styr KaiA-stimulering av KaiC-autofosforylering, vilket är avgörande för dygnsrytmsvängningar.

Typer av KaiA-proteiner

Det verkar finnas långa och korta typer av kaiA-proteiner. Den långa typen, hämtad från S.elongatus , Synechocystis sp. Stam PCC 5803 och Synechococcus sp. Stam WH8108, har cirka 300 aminoacylrester. En hög grad av konservering observeras i de karboxylterminala 100 resterna. Oberoende karboxylterminala domäner är de korta versionerna, från den trådformiga arten Anabaena sp. Stam PCC 7120 och Nostoc punctiforme . Det finns två oberoende vikta domäner av kaiA-proteinet: KaiA180C (aminoterminal med en huvudsakligen alfa-helixstruktur) och KaiA189N-domän (karboxylterminal domän, motsvarande resterna 1-189). S. elongates kaiA-proteinet tycks ha två domäner, amino- och karboxylregionerna, förbundna med en spiralformad länk med cirka 50 rester.

Fungera

Cyanobakterier visar ett dygnsrytmklocksystem där tre proteinoscillatorer, KaiA, KaiB och KaiC, utgör ett system känt som en post-translationell oscillator (PTO) som underlättar oscillationen av den större transkriptionsöversättnings-negativa återkopplingsslingan (TTFL). TTFL driver genuttryck och fyller på KaiA, KaiB och KaiC, medan PTO utgör kärnan i cyanobakteriers dygnsklocka. Denna Kai-kärna ger dygnsrytm till ATP-hydrolysaktivitet och kinas / fosfatasaktivitet , som båda är temperaturkompenserade. Dessutom har KaiB och KaiC, men inte KaiA, en dygnsrytm på 24 timmar under experimentella förhållanden, såsom frilöpning under förhållanden med konstant ljus.

Fosforyleringsoscillation

Kai-proteinerna som utgör PTO genererar en cirkadisk klocka av oscillerande fosforylering/defosforylering med en period på cirka 24 timmar. KaiC-proteinet är ett enzym med två specifika fosforyleringsställen, Threonine 432 och Serine 431, som uttrycker rytmicitet i fosforylering/defosforylering, beroende på KaiA- och KaiB-aktivitet. KaiA stimulerar fosforyleringen av KaiC tills KaiB binder KaiA, initierar defosforylering i en bestämd sekvens på Threonine 432 och Serine 431: KaiA stimulerar autofosforylering av KaiC på Threonine 432, och Serine 431 följer sedan denna mekanism av phosphorylering. När både Threonine 432 och Serine 431 är fosforylerade, binder KaiB till KaiC och detta komplex, KaiBC, fortsätter sedan att blockera effekten av KaiA. KaiB kan endast utföra denna sekvestreringsåtgärd när KaiA är närvarande, och när denna åtgärd inträffar kan KaiA inte aktivera KaiC för att autofosforylera. Threonine 432 defosforyleras först, följt av defosforyleringen av Serine 431, vid vilken punkt KaiA stimulerar fosforylering av KaiC-ställena, och det oscillerande systemet startar på nytt.

ATPas-svängning

Denna dygnsrytmsvängning som involverar kinas- och fosfatasaktiviteten sker i direkt relation till ATPas- aktivitet. I de inledande faserna av oscillationen när KaiC inte komplexbinder med vare sig KaiA eller KaiB, styr den inneboende, konstanta hastigheten för ATP-hydrolys ATP-nivåerna. KaiA och KaiC binder och bildar KaiAC-komplexet, vilket stimulerar KaiC-autofosforylering. Denna resulterande fosforylering stimulerar ATP-hydrolys. KaiC-proteinet når sedan ett tillstånd av hyperfosforylering, efter denna bindning av KaiA. Vid denna punkt av hyperfosforylering binder KaiB till KaiC och en hämning av ATP-hydrolys inträffar. KaiC återgår sedan till initialt okomplext tillstånd, och ATP-hydrolyshastigheterna stabiliseras återigen till den inneboende hastigheten.

KaiA och KaiC interaktion

Proteinerna skiljer sig åt i sina C-terminala domäner, men båda ändarna underlättar interaktion mellan proteinerna. Den C-terminala domänen av KaiA möjliggör dimerisering och bildar en konkav yta som sedan interagerar med den KaiC C-terminala domänen. Dessa C-terminala domäner gränsar till en hårnålsslinga , eller A-slingan, som tillsammans ger intresse: när en mutation resulterar i förlust av både A-svansen och den C-terminala domänen, kan C-terminalen förbli fosforylerad i frånvaro av KaiA, vilket signalerar att en möjlig funktion av A-loopen är att hjälpa till med autofosforylering och autodefosforylering av KaiC.

KaiC har 2 C-terminala bindande domäner: CI-regionen har den KaiA-bindande domänen av CKABD1; CII-regionen har den KaiA-bindande domänen av CKABD2. Den CII C-terminala domänen av KaiC upprätthåller kinas- och fosfatasfunktion som regleras av kaiA. KaiA interagerar med denna domän som bildar en hämmande loop, stimulerar CII-kinasaktiviteten och initierar fosforyleringen av Ser431 och Thr432, två intilliggande CII-rester. KaiC- och KaiA-bindning leder till att KaiA upplöses till en A-loop, vilket ökar rörelsen av P-loopregionen, loopregionen som håller Thr-432 och Ser-431, och ATP. Förskjutningen av A-slingan möjliggör frigöring av intilliggande slingor, vilket ytterligare främjar fosforyleringen av KaiC av KaiA. Bevis på detta visas genom demonstrationen att en KaiA-dimer kan skjuta KaiC till ett hyperfosforylerat tillstånd. KaiA-dimerer uppvisar en 95% association med KaiC-hexamerer, där fler kaiA-dimerer deltar i interaktion med kaiC. Interaktionen mellan KaiA och KaiC är alltså inte en 1:1-interaktion. KaiA-dimerer associerar sannolikt flexibelt och disassocierar med KaiC-dimerer snarare än att bilda ett stabilt komplex, vilket gör det möjligt för alla KaiC-subenheter att fosforyleras i Kai-fosforyleringscykeln.

Komplex modell

Biokemisk avbildning avslöjade montering och demontering av olika Kai-komplex som bildas under dygnsrytmklockoscillationer. Under processen binder KaiA och KaiB till platser på KaiC; modellen bestämmer att KaiC sedan blir KaiAC när KaiA stimulerar autofosforylering, som sedan omvandlas till KaiBC, KaiABC, och sedan återgår till KaiC när cykeln fortsätter.

Hypotesiserade modeller

"Cyanobakterier är de enklaste organismerna som är kända för att uppvisa dygnsrytm." Den transkriptionsöversättningsbaserade oscillatorn, med andra ord TTO, är en föreslagen modell som postulerar att KaiC negativt reglerar KaiBC-transkription och KaiA reglerar kaiBC-transkription positivt. Kai-proteiner reglerar inte dygnsrytmreglerade gener, men reglerar genomomfattande genuttryck i den cyanobakteriella TTO-modellen. Ett exempel på detta är kaiBC-operonen. Det är fortfarande oklart hur transkriptions-översättningsfeedbackslingan upprätthåller periodicitet och hur den är flexibel för miljöförändringar. Eftersom dessa proteiner är nödvändiga för att organismen ska anpassa sig till miljön, är det absolut nödvändigt att förstå generna i dygnsbiologin. I cyanobakterien Synechococcus elongates (PCC 7942) är kaiA, kaiB och kaiC de nödvändiga komponenterna som utgör dygnsklockan. TTO-modellen av cyanobakterier är tveksam på grund av upptäckten att fosforylering av KaiC oscillerar oavsett transkription/translation av kaiBC-operonet. Således postulerades det att pacemakern är baserad på kaiC-fosforylering snarare än transkriptions-/translationsåterkopplingsslinga. KaiA förstärker kaiC autofosforylering. KaiA och ATP främjar fosforyleringen av T432. KaiB dämpar effekten av kaiA. Således kan "autonom oscillation av KaiC-fosforylering genereras genom samarbete mellan kaiA och kaiB."

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=KaiA&oldid=1110745529 "