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生物钟为何是二十四小时

众所周知,为了适应地球自转引起的昼夜改变(尤其是光强和温度),地球生物会通过生物钟调控自己的活动。生物钟周期与地球自转周期相符,大约是24小时。那么,这个周期到底是怎样决定并执行下来的呢?

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日本分子科学研究所 (IMS)的科学家们发现,地球的自转周期(24小时)铭刻在生物钟蛋白KaiC的原子结构上。这种蛋白在蓝藻中表达,是直径10 nm的小分子。这项研究于六月二十五日发表在Science杂志上,不仅有助于深入理解生物钟的基础机制,还可以帮助人们治疗与异常昼夜节律有关的疾病。


生物钟一直是生物学研究的热点领域,人们已经在许多生物(从细菌到哺乳动物)中阐明了生物钟与多种疾病的关系,但一直不清楚24小时昼夜节律是如何建立起来的。


研究人员用蓝藻解决了这个问题。蓝藻的生物钟主要包括三个蛋白(KaiA、KaiB和KaiC)和 ATP。2007年的一项研究表明,KaiC的ATPase活性(介导ATP水解)与生物钟周期密切相关。这说明,可能是KaiC的功能性结构决定了昼夜节律。


已知在KaiA和KaiB存在的情况下,KaiC的ATPase活性表现出节律性的振荡。而这项研究显示, 即使不存在KaiA和KaiB,KaiC的ATPase活性依然在振荡,而且这个振荡频率大致为24小时。由此可见,KaiC就是24小时稳定周期的来源。


研究人员用高分辨率的晶体学技术分析了KaiC的N端结构域,通过原子结构揭示了KaiC比其他 ATPase慢的原因。“KaiC有一个空间障碍阻止水分子进入理想的ATP水解位点,该障碍锚定在一个多肽异构化(polypeptide isomerization)的结构上,”Dr. Jun Abe解释道。“这样ATP水解就涉及了水分子进入和可逆的多肽异构化,比一般ATP水解需要更大量的自由能。正因如此,KaiC的 ATPase活性要慢得多。”


这种蛋白质结构介导的反馈机制使KaiC的ATPase活性始终保持低水平,其时间常数就是地球的自转周期(24小时)。这项研究首次在原子水平上证明,蛋白小分子可以通过结构调控产生24小时节律。“人类和其他复杂生物可能也具有类似的分子机制。在拥挤而嘈杂的细胞内环境中,这是一个很巧妙的计时机制,”Shuji Akiyama教授说。


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