En biología molecular, las proteínas del reloj de las cianobacterias son el principal regulador circadiano de las cianobacterias . Las proteínas del reloj de las cianobacterias comprenden tres proteínas: KaiA, KaiB y KaiC. El complejo kaiABC puede actuar como promotor - regulador de la transcripción inespecífico que reprime la transcripción , posiblemente actuando sobre el estado de compactación cromosómica .
Dominio KaiA | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
Símbolo | KaiA | |||||||
Pfam | PF07688 | |||||||
InterPro | IPR011648 | |||||||
|
Dominio KaiB | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
Símbolo | KaiB | |||||||
Pfam | PF07689 | |||||||
Clan pfam | CL0172 | |||||||
InterPro | IPR011649 | |||||||
CDD | cd02978 | |||||||
|
KaiC | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
Símbolo | KaiC | |||||||
Pfam | PF06745 | |||||||
Clan pfam | CL0023 | |||||||
InterPro | IPR014774 | |||||||
CDD | cd01124 | |||||||
|
En el complejo, KaiA mejora el estado de fosforilación de kaiC. Por el contrario, la presencia de kaiB en el complejo disminuye el estado de fosforilación de kaiC, lo que sugiere que kaiB actúa antagonizando la interacción entre kaiA y kaiC. La actividad de KaiA activa la expresión de kaiBC, mientras que KaiC la reprime. El pliegue total del monómero KaiA es el de un haz de cuatro hélices , que forma un dímero en la estructura conocida . [1] KaiA funciona como un homodímero . Cada monómero se compone de tres dominios funcionales : el dominio amplificador de amplitud N-terminal , el dominio de ajuste de período central y el dominio de oscilador de reloj C-terminal . El dominio N-terminal de KaiA, de cianobacterias, actúa como un dominio pseudo-receptor, pero carece del residuo de aspartilo conservado necesario para la fosfotransferencia en los reguladores de respuesta. [2] El dominio C-terminal es responsable de la formación de dímeros, se une a KaiC, mejora la fosforilación de KaiC y genera las oscilaciones circadianas . [3] La proteína KaiA de Anabaena sp. (cepa PCC 7120) carece del dominio similar a CheY N-terminal.
KaiB adopta un motivo de meandro alfa-beta y se encuentra que es un dímero o un tetrámero . [1] [4]
KaiC pertenece a una familia más amplia de proteínas ; realiza autofosforilación y actúa como su propio represor transcripcional . Se une a ATP . [5]
También en la familia KaiC se encuentra RadA / Sms, una proteína eubacteriana altamente conservada que comparte similitud de secuencia con la transferasa de cadena RecA y la proteasa lon . La familia RadA / Sms son probablemente proteasas dependientes de ATP involucradas tanto en la reparación del ADN como en la degradación de proteínas, péptidos y glicopéptidos . Se clasifican como homólogos no peptidasas y peptidasas no asignadas en la familia de peptidasas MEROPS S16 (familia de proteasas lon, clan SJ). RadA / Sms participa en la recombinación y la reparación recombinacional, lo que probablemente implica la estabilización o el procesamiento de moléculas de ADN ramificadas o bifurcaciones de replicación bloqueadas debido a su redundancia genética con RecG y RuvABC. [6]
Historia del descubrimiento
Debido a la falta de un núcleo en estos organismos, existía la duda de si las cianobacterias podrían o no expresar ritmos circadianos. Kondo y col. fueron los primeros en demostrar definitivamente que las cianobacterias tienen, de hecho, ritmos circadianos. En un experimento de 1993, utilizaron un indicador de luciferasa insertado en Synechococcus sp. Genéticamente tratable , que se cultivó en un ciclo de luz-oscuridad 12:12 para asegurar el "arrastre". Había dos conjuntos de bacterias de modo que uno estaba en la luz mientras que el otro estaba en la oscuridad durante este período de arrastre. Una vez que las bacterias entraron en la fase estacionaria, se transfirieron a tubos de ensayo mantenidos en luz constante, excepto por períodos de registro de 5 minutos cada 30 minutos, en los que los tubos se mantuvieron en oscuridad para medir sus niveles de bioluminiscencia . Descubrieron que el nivel de bioluminiscencia se ciclaba en un período de casi 24 horas y que los dos grupos oscilaban con fases opuestas. Esto los llevó a concluir que Synechococcus sp. el genoma estaba regulado por un reloj circadiano. (1)
Función in vitro
Los osciladores circadianos en eucariotas que se han estudiado funcionan mediante un ciclo de retroalimentación negativa en el que las proteínas inhiben su propia transcripción en un ciclo que dura aproximadamente 24 horas. Esto se conoce como oscilador derivado de la transcripción-traducción (TTO). (2) Sin un núcleo, las células procariotas deben tener un mecanismo diferente para mantener el tiempo circadiano. En 1998, Ishiura et al. determinó que el complejo de proteínas KaiABC era responsable del ciclo de retroalimentación negativa circadiana en Synechococcus mapeando 19 mutantes de reloj en los genes de estas tres proteínas. (3) Un experimento de Nakajima et al., en 2005, pudo demostrar la oscilación circadiana del complejo Synechococcus KaiABC in vitro . Lo hicieron agregando KaiA , KaiB , KaiC y ATP en un tubo de ensayo en la proporción aproximada registrada in vivo . Luego midieron los niveles de fosforilación de KaiC y encontraron que demostraba ritmicidad circadiana durante tres ciclos sin amortiguación. Este ciclo también compensaba la temperatura. También probaron la incubación de la proteína KaiC mutante con KaiA, KaiB y ATP. Descubrieron que el período de fosforilación de KaiC coincidía con el período intrínseco de la cianobacteria con el genoma mutante correspondiente. Estos resultados los llevaron a concluir que la fosforilación de KaiC es la base para la generación del ritmo circadiano en Synechococcus. (2)
Relojes de cianobacterias como sistemas modelo
Las cianobacterias son los organismos más simples que se han observado que demuestran ritmos circadianos. (2) (3) La primitividad y la simplicidad hacen que el modelo de fosforilación de KaiC sea invaluable para la investigación del ritmo circadiano. Si bien es mucho más simple que los modelos para generadores de ritmo circadiano eucariotas, los principios son en gran medida los mismos. En ambos sistemas, el período circadiano depende de las interacciones entre las proteínas dentro de la célula, y cuando los genes de esas proteínas mutan, el período expresado cambia. (1) (2) Este modelo de generación del ritmo circadiano también tiene implicaciones para el estudio de la “biología evolutiva” circadiana. Dada la simplicidad de las cianobacterias y de este sistema circadiano, puede ser seguro asumir que los osciladores circadianos eucariotas se derivan de un sistema similar al presente en las cianobacterias. (1)
Referencias
- ↑ a b Garces RG, Wu N, Gillon W, Pai EF (abril de 2004). "Las proteínas del reloj circadiano de Anabaena KaiA y KaiB revelan un posible sitio de unión común a su socio KaiC" . EMBO J . 23 (8): 1688–98. doi : 10.1038 / sj.emboj.7600190 . PMC 394244 . PMID 15071498 .
- ^ Williams SB, Vakonakis I, Golden SS, LiWang AC (noviembre de 2002). "Estructura y función de la proteína del reloj circadiano KaiA de Synechococcus elongatus: un mecanismo de entrada de reloj potencial" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 99 (24): 15357–62. doi : 10.1073 / pnas.232517099 . PMC 137721 . PMID 12438647 .
- ^ Uzumaki T, Fujita M, Nakatsu T, Hayashi F, Shibata H, Itoh N, Kato H, Ishiura M (julio de 2004). "Estructura cristalina del dominio de oscilador de reloj C-terminal de la proteína cianobacteriana KaiA". Nat. Struct. Mol. Biol . 11 (7): 623–31. doi : 10.1038 / nsmb781 . PMID 15170179 . S2CID 36997475 .
- ^ Hitomi K, Oyama T, Han S, Arvai AS, Getzoff E (2005). "Arquitectura tetramérica de la proteína del reloj circadiano KaiB. Una interfaz novedosa para interacciones intermoleculares y su impacto en el ritmo circadiano" . J Biol Chem . 280 (19): 19127–35. doi : 10.1074 / jbc.M411284200 . PMID 15716274 .
- ^ Pattanayek R, Wang J, Mori T, Xu Y, Johnson CH, Egli M (2004). "Visualización de una proteína de reloj circadiano: estructura cristalina de KaiC y conocimientos funcionales". Mol Cell . 15 (3): 375–88. doi : 10.1016 / j.molcel.2004.07.013 . PMID 15304218 .
- ^ Beam CE, Saveson CJ, Lovett ST (diciembre de 2002). "Papel de radA / sms en el procesamiento intermedio de recombinación en Escherichia coli" . J. Bacteriol . 184 (24): 6836–44. doi : 10.1128 / jb.184.24.6836-6844.2002 . PMC 135464 . PMID 12446634 .