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  • 發布時間:2015-06-29 11:16 原文鏈接: Science:生物鐘為何是二十四小時

      眾所周知,為了適應地球自轉引起的晝夜改變(尤其是光強和溫度),地球生物會通過生物鐘調控自己的活動。生物鐘周期與地球自轉周期相符,大約是24小時。那么,這個周期到底是怎樣決定并執行下來的呢?

      日本分子科學研究所 (IMS)的科學家們發現,地球的自轉周期(24小時)銘刻在生物鐘蛋白KaiC的原子結構上。這種蛋白在藍藻中表達,是直徑10 nm的小分子。這項研究于六月二十五日發表在Science雜志上,不僅有助于深入理解生物鐘的基礎機制,還可以幫助人們治療與異常晝夜節律有關的疾病。

      生物鐘一直是生物學研究的熱點領域,人們已經在許多生物(從細菌到哺乳動物)中闡明了生物鐘與多種疾病的關系,但一直不清楚24小時晝夜節律是如何建立起來的。

      研究人員用藍藻解決了這個問題。藍藻的生物鐘主要包括三個蛋白(KaiA、KaiB和KaiC)和 ATP。2007年的一項研究表明,KaiC的ATPase活性(介導ATP水解)與生物鐘周期密切相關。這說明,可能是KaiC的功能性結構決定了晝夜節律。

      已知在KaiA和KaiB存在的情況下,KaiC的ATPase活性表現出節律性的振蕩。而這項研究顯示, 即使不存在KaiA和KaiB,KaiC的ATPase活性依然在振蕩,而且這個振蕩頻率大致為24小時。由此可見,KaiC就是24小時穩定周期的來源。

      研究人員用高分辨率的晶體學技術分析了KaiC的N端結構域,通過原子結構揭示了KaiC比其他 ATPase慢的原因。“KaiC有一個空間障礙阻止水分子進入理想的ATP水解位點,該障礙錨定在一個多肽異構化(polypeptide isomerization)的結構上,”Dr. Jun Abe解釋道。“這樣ATP水解就涉及了水分子進入和可逆的多肽異構化,比一般ATP水解需要更大量的自由能。正因如此,KaiC的 ATPase活性要慢得多。”

      這種蛋白質結構介導的反饋機制使KaiC的ATPase活性始終保持低水平,其時間常數就是地球的自轉周期(24小時)。這項研究首次在原子水平上證明,蛋白小分子可以通過結構調控產生24小時節律。“人類和其他復雜生物可能也具有類似的分子機制。在擁擠而嘈雜的細胞內環境中,這是一個很巧妙的計時機制,”Shuji Akiyama教授說。

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