Расшифровка сложной работы биологических часов

Ученые стремятся лучше понять циркадные ритмы — внутренние 24-часовые циклы биологических часов сна и бодрствования, которые существуют у организмов от человека до растений, грибов и бактерий. Исследовательская группа изучила сложную работу цианобактерий и теперь лучше понимает, что управляет их циркадными часами.

Результаты работы, проведенной под руководством исследователей из Института молекулярных наук Национальных институтов естественных наук в Окадзаки (Япония), были опубликованы 15 апреля 2022 года в журнале Science Advances.

Команда сосредоточилась на белке KaiC, который регулирует циркадный ритм у цианобактерий — типа бактерий, обитающих в любой воде и часто встречающихся в сине-зеленых водорослях. Эти биологические часы состоят из белков. Циркадные часы цианобактерий — самые простые по количеству компонентов, но все же представляют собой очень сложную систему, которая может дать ученым ключ к пониманию работы всех циркадных часов.

Группа исследовала структурную основу аллостерии — сложных изменений формы и активности белка KaiC у цианобактерий. Именно аллостерия управляет циркадными часами цианобактерий.

Ученые изучили атомные структуры часового белка KaiC, проанализировав тысячи условий кристаллизации. Это детальное исследование позволило охватить весь цикл фосфорилирования — процесс переноса фосфата на белок. Фосфорилирование работает совместно с другой реакцией — гидролизом АТФ, энергозатратным процессом, определяющим скорость хода часов. Система «фосфорилирование-гидролиз АТФ» работает как регулятор активности клетки.

Чтобы понять основу аллостерии, они кристаллизовали белок KaiC в восьми различных состояниях. Это позволило наблюдать кооперативность между циклом фосфорилирования и циклом гидролиза АТФ, которые работают как две шестеренки.

Ранее ученые изучали цикл фосфорилирования белка KaiC in vivo, in vitro и in silico. Однако о том, как аллостерия регулирует этот цикл в KaiC, было известно мало.

Изучив KaiC в восьми различных состояниях, команда смогла наблюдать связь (сцепление), которая возникает между циклом фосфорилирования и циклом гидролиза АТФ. Именно это сцепление двух «шестеренок» и приводит в движение циркадные часы цианобактерий.

Белок KaiC ритмично и автономно активирует и деактивирует реакционные циклы, регулируя состояние сборки других связанных с часами белков. В качестве следующих шагов команда может использовать структурную биологию, чтобы раскрыть атомные механизмы ускорения и замедления вращения этих «шестеренок».

Их работа может служить инструментом для исследований, помогая ученым лучше понять механизмы, действующие в цикле циркадных часов. В перспективе результаты могут иметь более широкое применение. Млекопитающие, насекомые, растения и бактерии имеют свои собственные часовые белки с различными последовательностями и структурами. Однако логика, лежащая в основе взаимосвязи между динамикой KaiC и функциями часов, может быть применена и в других исследованиях на различных организмах.