在一項新的研究中，來自德國和荷蘭的一個研究團隊發(fā)現(xiàn)世界上最古老的生物鐘之一的運轉(zhuǎn)機制。據(jù)我們所知，這個生物鐘在地球上的生命中發(fā)揮著至關重要的作用。他們發(fā)現(xiàn)藍藻（cyanobacteria）中的這個生物鐘如何詳細地運轉(zhuǎn)。鑒于藍藻是地球上首個通過光合作用產(chǎn)生氧氣的有機體，它們在理解生命中發(fā)揮著重要的作用。相關研究結(jié)果發(fā)表在2017年3月17日的Science期刊上，論文標題為“Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state”。
10年前，研究人員已發(fā)現(xiàn)藍藻中的這個生物鐘僅有三種蛋白組分— KaiA、KaiB和KaiC—組成。另外，這三種蛋白組分的組裝需要ATP釋放的能量。這些組分是一種巧妙的系統(tǒng)的構(gòu)成單元，就好比是精密的瑞士鐘表的齒輪、彈簧和擺輪。在2005年，日本科學家證實在試管中，當加入一點能量時，這三種蛋白組分的溶液能夠幾天內(nèi)按照24小時周期運轉(zhuǎn)。然而，盡管這個生物鐘的相對簡單性，這些科學家并不能夠揭示它的精確運轉(zhuǎn)機制。
威廉-福克納（William Faulkner）
科學家們?nèi)绾文軌蚪馕龀鰡蝹€蛋白組分的工作機制？論文共同通信作者、荷蘭烏得勒支大學的研究領導者Albert Heck說，“最終，理解藍藻中的這個滴答作響的生物鐘的訣竅就是直接地讓時間停頓下來?；蛘哒缰Z貝爾文學獎得主William Faulkner所說的，‘只有當時鐘停止時，生命才會到來’。我們讓這個生物鐘在冰箱中運轉(zhuǎn)一周的時間，從而延緩它。按照字面意思，我們凍結(jié)時間了?！?/span>
新的組合
除了讓時間停止之外，這些研究人員采用一組前沿的研究技術(shù)。利用一種技術(shù)，他們能夠確定這三種蛋白復合體（KaiA、KaiB和KaiC）中的每種復合體在單個24小時周期內(nèi)多久一次組裝或拆解。這讓他們知道哪些蛋白組分組合（齒輪、彈簧和擺輪的組合）決定著這種晝夜節(jié)律。
放大觀察
這些研究人員隨后通過降低溫度讓這種生物鐘在特定的時刻停止運轉(zhuǎn)。這允許他們利用多種技術(shù)更加詳細地放大觀察在這些特定時刻的蛋白組分組合在一起時的結(jié)構(gòu)—這些齒輪、彈簧和擺輪的位置。通過這樣做，他們鑒定出在理解這個生物鐘如何運轉(zhuǎn)中發(fā)揮著至關重要的兩種結(jié)構(gòu)。他們隨后能夠通過確定從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到另一種結(jié)構(gòu)，推斷出這些齒輪如何轉(zhuǎn)動。最終，他們獲得的一種結(jié)構(gòu)模型展示了僅這三種蛋白組分如何精確地形成一種精密的按照24小時周期運轉(zhuǎn)的鐘表。
Heck說，“盡管就地質(zhì)歷史而言，藍藻的這個生物鐘是非常古老的，但是我們?nèi)缃袢匀荒軌驈倪@個系統(tǒng)中學習到很多?！眱H在幾年前，研究人員已在我們的紅細胞中發(fā)現(xiàn)一種類似的過程。Heck總結(jié)道，“藍藻是首個產(chǎn)生氧氣的有機體。氧氣富集是如今的生命的基礎。利用這項研究的結(jié)果，我們正在了解生命的這個生物學上的原始機制?！?/span>
藍藻中的生物鐘晝夜轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)基礎
在藍藻中，時間運轉(zhuǎn)是由KaiA、KaiB和KaiC和一組信號輸出蛋白SasA和CikA控制著的。這組信號輸出蛋白對這種晝夜節(jié)律加以轉(zhuǎn)換，從而控制基因表達。
在另一項新的研究中，Roger Tseng等人描述了KaiB-KaiC,KaiA-KaiB-KaiC和CikA-KaiB復合體的晶體結(jié)構(gòu)和核磁共振結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明KaiB的較大的構(gòu)象變化和KaiC促進的ATP水解與它們結(jié)合到信號輸出蛋白上保持一致，從而將這個生物鐘的信號與晝夜轉(zhuǎn)換偶聯(lián)在一起。
