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【编辑推荐】为探究古蓝藻在产氧光合系统形成时是否已具备自持昼夜节律钟，研究人员对现代蓝藻时钟蛋白 KaiC 振荡及祖先 Kai 蛋白功能结构展开研究。发现祖先 Kai 蛋白通过分子进化获得节律性关键因子，该振荡器对能量获取与利用意义重大。
生命的节律如同精密的时钟，驱动着生物与环境的协同演化。在光合生物中，昼夜节律系统对光能利用效率至关重要。蓝藻作为最早演化出产氧光合作用的原核生物，其昼夜节律钟的起源一直是时间生物学领域的核心问题 —— 古蓝藻在约 23 亿年前大氧化事件（GOE）期间建立产氧光合系统时，是否已具备自持的昼夜节律振荡器？这一问题不仅关乎生物适应环境的分子机制，还与地球早期环境演变（如古海洋 pH 值、地球自转周期）密切相关。然而，此前研究主要基于现代蓝藻菌株 Synechococcus elongatus PCC7942（Se7942），祖先蓝藻中 Kai 蛋白是否具备振荡器功能仍存疑。
为破解这一谜题，日本福井县立大学、分子科学研究所等机构的研究人员开展了一项跨学科研究。他们通过系统发育分析、祖先蛋白重建、体外振荡实验及结构生物学手段，揭示了蓝藻 Kai 蛋白昼夜节律振荡器的进化轨迹。相关成果发表在《Nature Communications》，为理解生物节律起源与早期地球环境互作提供了关键证据。
研究采用的关键技术包括：
- 系统发育树构建：基于 16S rRNA 和 Kai 蛋白序列，构建蓝藻及相关物种的系统发育树，确定祖先节点（如 α-η）的进化位置。
- 祖先蛋白重建：通过最大似然法推测 7 个进化分支点的祖先 KaiC、KaiA、KaiB 氨基酸序列，并在大肠杆菌中异源表达纯化。
- 体外振荡实验：在不同 pH 值（7.0/8.0）和温度（30°C/40°C）条件下，重组 Kai 蛋白复合体，监测 KaiC 磷酸化节律。
- X 射线晶体学：解析祖先 KaiCβ、KaiCγ、KaiCδ 的三维结构，分析结构 - 功能关系。
结果解析
1. 现存蓝藻 Kai 蛋白振荡器的分布
对 41 种现存蓝藻的研究表明，Ⅰ 组淡水蓝藻中约 80% 的 KaiC 在种属特异性 KaiA/B 存在下表现出自持振荡，周期为 25.2±4.9 小时；当替换为 Se7942 的 KaiA/SeB 时，周期缩短至 23.4±4.5 小时。Ⅱ 组海洋蓝藻前半部分菌株（如 Synechococcus sp. RCC307）可产生稳健节律，但 Prochlorococcus 因缺乏 KaiA 同源基因而无振荡。Ⅲ/Ⅳ 组非蓝藻细菌（如变形菌、古菌）的 KaiC 多无节律性，表明自持振荡器主要存在于蓝藻核心类群。
2. 祖先 Kai 蛋白振荡器的起源时间与机制
通过重建祖先蛋白，研究发现：
- **KaiCα（最古老双结构域 KaiC）** 与 KaiCβ 均无振荡能力，其 ATPase 活性呈温度依赖性（Q??=2.1-2.2），CI 结构域松散结合 ADP，阻碍核苷酸交换。
- **KaiCγ（约 22 亿年前）** 首次获得自持振荡能力，周期为 23.4±1.5 小时（pH 7.0），ATPase 活性具温度补偿性（Q??=0.9-1.2）。结构分析显示，KaiCγ 的 CI 结构域形成稳定的 CI-CI 界面（S46γ 与 E196γ 间氢键），促进 ATP 结合与水解循环；CII 结构域的 A-loop（Q439γ-I487γ 氢键）和磷开关（phosphor-switch）构象稳定，确保磷酸化节律。
- KaiCγ 振荡器可被 18 小时温度周期同步，暗示其适应古地球较短的自转周期（约 20 小时）。
3. 环境压力驱动的分子进化
Kai 蛋白的关键进化事件与地球环境剧变重叠：
- **GOE 与第一次雪球地球事件（约 24 亿年前）** 期间，KaiC 从 β 到 γ 的转变伴随 CI 结构域核苷酸结合模式优化，可能与古海洋 pH 值从 7.0 向 8.0 转变相关。
- γ 节点作为蓝藻最近共同祖先（MRCA），其振荡器通过垂直遗传传递给现代淡水蓝藻（Ⅰ 组）和部分海洋蓝藻（Ⅱ 组），而 Prochlorococcus 可能在进化中丢失该功能。
结论与意义
本研究揭示，蓝藻自持型 Kai 蛋白振荡器起源于约 22 亿年前的 γ 祖先，其进化与大氧化事件、雪球地球等环境压力紧密关联。关键结构创新（如 CI-CI 界面氢键、CII 结构域稳定性）赋予振荡器温度补偿和 pH 响应能力，使其成为蓝藻优化产氧光合作用时间的核心机制。这一发现不仅填补了昼夜节律系统进化的关键空白，还为理解早期生物与地球环境协同演化提供了分子证据 —— 振荡器通过 “预测” 日出时间提前激活光合系统，助力蓝藻在极端环境中占据生态优势，最终推动地球碳氧循环与真核生物演化。
该研究整合分子进化、结构生物学与实验生物学手段，建立了 “从基因到古环境” 的跨尺度分析框架，为探究其他生物节律系统的起源提供了方法论借鉴。未来对深海热泉蓝藻等特殊类群的研究，可能进一步揭示振荡器多样性演化的新机制。
