跨学科团队重建蓝藻的昼夜时钟，帮助了解时钟蛋白的运行机制

人类生理机能每方面的日常周期都是由细胞中的生物时钟 (或昼夜节律) 驱动的。一个跨学科的科学家团队已经在试管中重建了蓝藻的昼夜时钟，使他们能够实时研究时钟蛋白的有节奏的相互作用，并了解这些相互作用如何使时钟发挥对基因表达的控制。

“从头开始重建一个复杂的生物过程，比如昼夜时钟，真的帮助我们了解了时钟蛋白质是如何协同工作的，并将使我们对昼夜节律有更深入的了解。” 加州大学圣克鲁斯分校化学和生物化学教授、该研究的通讯作者 Carrie Partch 博士说。

该研究发表在《科学》杂志上。来自加州大学圣克鲁斯分校、加州大学默塞德分校和加州大学圣地亚哥分校三个实验室的研究团队在一篇题为《完整时钟的重建揭示了昼夜节律计时机制》的论文中介绍了他们的发现。

时钟蛋白质的周期性相互作用使生命的生物节律与昼夜的日常循环一致，这不仅发生在人类和其他复杂的动物中，在简单的单细胞生物中，比如蓝藻，也是如此。

“生物钟是细胞内的系统，为生物体提供了当地时间的内部代表，对健康有深远的影响。” 论文中这样写道。而且，正如 Partch 博士进一步指出的，从蓝藻细菌到人类，生物钟的分子细节都非常相似。

这项新研究是建立在日本研究人员之前的研究基础上的，他们在 2005 年重建了蓝藻生物昼夜振荡器，这是时钟的基本 24 小时计时循环。振荡器由三种相关蛋白组成：KaiA、KaiB 和 KaiC。在活细胞中，来自振荡器的信号通过其他蛋白质传递，以昼夜节律周期控制基因的表达。论文指出:“蓝藻的核心生物钟基因 kaiA、kaiB 和 kaiC 对节律性基因表达至关重要，它们的蛋白在体内产生 kaiC 磷酸化的 24 小时自主节律，这可以在体外重现。”

新的体外时钟 (IVC) 除了振荡器蛋白外，还包括两个激酶蛋白 (SasA 和 CikA)，它们的活性通过与振荡器相互作用而改变，以及一个 DNA 结合蛋白 (RpaA) 及其 DNA 靶标。“SasA 和 CikA 分别激活和抑制 RpaA，使其有节奏地结合和解除 DNA，” 通讯作者 Andy LiWang 博士解释说，他是加州大学默塞德分校化学和生物化学教授。“在蓝藻中，它们基因组中 100 多个不同位点上的这种有节奏的结合和解结合的激活和抑制对健康和生存至关重要。”

利用荧光标记技术，研究人员能够跟踪所有这些时钟组件之间的相互作用，因为整个系统在许多天甚至几周内都伴随着昼夜节律振荡。研究人员报告说:“整个系统自动振荡，并在许多天内保持相干，基于荧光的读数，可以在不需要用户干预的情况下同时实时观察每个组件。” 然后，他们能够确定 SasA 和 CikA 如何增强振荡器的稳健性，在 KaiABC 蛋白本身停止振荡的条件下保持它的滴答声。

图丨科学家在试管中重建了蓝藻的生物钟，使他们能够实时研究时钟蛋白的分子相互作用

研究人员还使用体外系统探索了一个节律失常蓝藻菌株的时钟中断遗传起源。他们在 RpaA 基因中发现了一个突变，降低了这种蛋白质的 DNA 结合效率。

“转录因子中一个氨基酸的变化就会使细胞失去基因表达的节奏，即使它的生物钟是完整的。” 合著者 Susan Golden 说，她是加州大学圣地亚哥分校 (UC San Diego) 昼夜生物学中心的主任，Partch 和 Li Wang 也是该中心的成员。

拥有一个可以在试管中而不是活细胞中进行研究的功能时钟，为探索时钟的机制以及它如何对变化作出反应提供了一个强大的平台。研究小组在活细胞中进行了实验，以确认他们在体外得到的结果是与活蓝藻中的时钟运行方式一致的。

“这些结果的重叠非常令人惊讶，因为在体外观察到的结果与在体内观察到的结果有些不一致是很常见的，”Li Wang 说。“活细胞的内部非常复杂，与简单得多的体外条件形成鲜明对比。”

研究人员总结道，“扩大的体外时钟揭示了前所未知的机制，通过它蓝藻的昼夜节律系统在不同的蛋白质浓度下保持节奏和节律…… 这个新开发的体外时钟系统提供了一个无与伦比的机会来探索时钟是如何在体内保持一致性的，尽管相关的转录、翻译、反馈和蛋白质转换导致时钟成分浓度的节律性变化，并提供了一个集成振荡器的实验平台及与之交互的上游和下游组件。”

Golden 补充说:“这个项目的真正美妙之处在于，来自三个加州大学校园的团队聚集在一起，共同解决细胞如何显示时间的问题。在不同学科受过训练的学生和博士后相互分享遗传学、结构生物学和生物物理学数据，向彼此解释他们发现的重要性。跨学科交流对项目的成功与研究人员令人印象深刻的技能同样重要。”