生物钟的复杂运作

科学家们希望提高对生物钟的理解，生物钟指的是生物体（从人类到植物，从真菌到细菌）内24小时睡眠和醒来的生物钟周期。研究人员已经研究了蓝藻的复杂工作机制，现在可以更好地理解是什么驱动了它的生物钟。

　　

该团队由日本冈崎国立自然科学研究所分子科学研究所的研究人员领导，于2022年4月15日在《科学进展》杂志上发表了他们的发现。

蓝藻是一种生活在各种水中的细菌，在蓝藻中经常发现。研究小组集中研究了蓝藻体内调节昼夜节律的生物钟蛋白KaiC。生物体中的生物钟是由蛋白质组成的。就其组成部分的数量而言，蓝藻生物钟是最简单的生物钟，但它仍然是一个非常复杂的系统，可以为科学家提供所有生物钟工作的线索。蓝藻是一种微生物，可以在盐和淡水、土壤和岩石等环境中发现。该团队检查了变构的结构基础，即蓝藻KaiC蛋白的形状和活性发生的复杂变化。变构作用驱动蓝藻的生物钟。

该团队通过筛选数千种结晶条件，研究了KaiC时钟蛋白的原子结构。这种对原子结构的详细研究使他们能够覆盖整个磷酸化循环，即磷酸盐被转移到蛋白质上的过程。磷酸化与另一个反应周期ATP水解合作，这是决定时钟速度的能量消耗事件。磷酸化-ATP水解系统就像细胞活性的调节器。为了帮助他们理解变构的基础，他们在八种不同的状态下结晶了KaiC蛋白，使他们能够观察到磷酸化循环和ATP水解循环之间的合作，就像两个齿轮一样工作。

在过去，科学家们研究了KaiC蛋白在vivio、体外和硅胶中的磷循环。而变构调控KaiC中磷循环的机制尚不清楚。

通过研究八种不同状态下的KaiC，该团队能够观察到磷循环和atp酶水解循环中发生的耦合。这两个齿轮的耦合驱动蓝藻生物钟。

“因为蛋白质是由大量原子组成的，要理解它们复杂而有序的功能的机制是不容易的。我们需要耐心地追踪蛋白质的结构变化，”美国国家自然科学研究所分子科学研究所助理教授Yoshihiko Furuike说。

KaiC蛋白有节律地自主激活和灭活反应周期，调节其他时钟相关蛋白的装配状态。因此，考虑到他们的下一步，该团队可能会使用结构生物学来揭示齿轮旋转加速和减速的原子机制。Furuike说:“我们的目标是在原子水平上看到振荡期间所有蓝藻生物钟蛋白质，并描述有序节奏从混沌原子动力学中产生的时刻。”

他们的工作可以作为一种研究工具，帮助科学家更好地理解昼夜节律时钟周期的工作机制。展望未来，研究团队可以看到他们的发现有更广泛的应用。哺乳动物、昆虫、植物和细菌都有自己的生物钟蛋白质，它们的序列和结构都不同。“但是，KaiC动力学和时钟功能之间的关系背后的逻辑可以适用于其他各种生物体的研究。”

论文作者包括Yoshihiko Furuike, Shuji Akiyama，日本冈崎国立自然科学研究所分子科学研究所。除了来自分子科学研究所的研究人员，团队中的其他研究人员包括来自SOKENDAI，高级研究研究生大学;名古屋大学理学院和高等研究院;大阪大学蛋白质研究所。他们的工作得到了科学研究援助基金的资助。

Yoshihiko Furuike, Atsushi Mukaiyama, Dongyan Ouyang, Kumiko Ito-Miwa, Damien Simon, Eiki Yamashita, Takao Kondo, Shuji Akiyama. Elucidation of master allostery essential for circadian clock oscillation in cyanobacteria. Science Advances, 2022; 8 (15)