「旋轉木馬」上的蛋白質:晝夜節律和生理節律的連接點

2021-01-09 生物谷

2015年6月29日/生物谷BIOON/--隨著地球自轉，陽光灑在迎向地球的那一面，從而形成了晝夜交替節律。很多生物針對晝夜交替，也不停地調節著自身的節律，從而實現對環境的最高的適應性。這種大約24小時的節律性的調節，便構成了生物鐘。生物鐘的紊亂也被證明了與多種疾病關聯。但是這種晝夜節律如何形成的還是不清楚。

 

如今，有研究（發表於《Science》）從分子原子層面，掀開了生理節律機制神秘面紗的一角。科學家們已經證明，地球每天的自轉周期（20小時）被「編碼」進了KaiC蛋白的原子層面結構。KaiC是藍藻中的一種蛋白質，直徑大小為10nm。該研究對於深入理解有關生物鐘學的一個關鍵性問題：生物鐘的生理節律是如何決定的？而且該研究對於未來發展針對生理節律紊亂的相關疾病的治療方法提供了理論基礎。

 

通過研究結構簡單的單細胞生物藍藻（有時候也被稱為藍細菌），可以構建起簡單的生物鐘模型。在藍藻中，通過三種蛋白質（KaiA，KaiB和KaiC）以及ATP（三磷酸腺苷，一種細胞內的能量貨幣），可以重建藍藻生物鐘。早在2007年就有研究表明，KaiC蛋白有ATP水解酶活性，而且這種活性與晝夜周期是緊密相連的。有猜測認為，正是因為這種蛋白質的內部結構，導致了其能夠響應晝夜節律變化，而導致了其活性的變化。深入的研究表明，這個蛋白質的酶解活性存在一種漸弱的、周期性的信號，正好是約0.91天。

 

為了了解這種周期性催化活性信號的蛋白質結構基礎，來自日本的這個課題組，用高精度的X光衍射方法解析了KaiC蛋白的N端結構域。該蛋白質的三維結構解釋了為什麼催化ATP水解的過程如此之慢。首先是，水分子因為空間位阻無法進入理想的ATP水解的活性區域，這個位阻是因為類似「彈簧」的多肽異構化引起的。在這種蛋白質中，通過可以反轉的多肽異構化作用，水分子得以進入活性中心並完成ATP分子的水解，這個過程中需要比正常ATP水解更多的能量輸入。這樣解釋了，為什麼這種蛋白質在催化ATP水解的時間尺度非常大，也就是說催化時間很長，比正常ATP水解酶催化時間慢一百到一百萬倍。

 

KaiC蛋白由六個相同的亞基組成，每個亞基都帶有一系列的ATP水解酶結構域。這個蛋白具有不對稱的結構，能夠通過水分子和部分結構的異構化，形成一系列的反饋機制，讓其ATP水解酶活性一直維持在較低的水平。而這些反饋的時間常數就是大約24小時。蛋白質就像乘坐著地球這個大旋轉木馬，地球一圈一圈地轉著，相應地，蛋白質活性也是一陣一陣（24小時）變化著，從而將晝夜節律和細胞的生理節律連在了一起。

 

KaiC蛋白可以維持一個長時間尺度的節律，從而第一次從蛋白質結構上證明了，蛋白質可以通過調節自身的結構和活性來產生晝夜節律。而且，在複雜擁擠的細胞環境中，蛋白質通過自身結構的變化維持一定的節律，對我們發展高效率、可持續的化學反應過程也有一定的參考價值。

 

正是人體內無數的分子，通過類似的或者其他機制，維持著正常的生理節律，對於我們的生理健康和生活習慣產生著重要影響。這個研究也部分解答了小編多年來苦苦探尋的疑問，那就是為什麼自己高中時代，即便沒有鬧鐘，也總是能夠在早自習開始前的十分鐘左右醒來。（生物谷Bioon.com）

 

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