KaiB es un gen ubicado en el grupo de genes kaiABC altamente conservado de varias especies de cianobacterias . Junto con KaiA y KaiC , KaiB juega un papel central en el funcionamiento del reloj circadiano de cianobacterias. El descubrimiento de los genes Kai marcó la primera identificación de un oscilador circadiano en una especie procariota . Además, la caracterización del reloj cianobacteriano demostró la existencia de mecanismos de generación de ritmo postraduccionales independientes de la transcripción, desafiando la universalidad del modelo de bucle de retroalimentación de transcripción-traducción de la ritmicidad circadiana.
KaiB | ||||||
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Identificadores | ||||||
Organismo | ||||||
Símbolo | kaib | |||||
Entrez | 31251 | |||||
RefSeq (ARNm) | NM_080317 | |||||
RefSeq (Prot) | NP_525056 | |||||
UniProt | P07663 | |||||
Otros datos | ||||||
Cromosoma | X: 2,58 - 2,59 Mb | |||||
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Descubrimiento
Ritmos circadianos procarióticos
Los ritmos circadianos , oscilaciones endógenas y adaptables en los procesos biológicos con períodos que corresponden aproximadamente a las 24 horas del día, se creía que eran una propiedad exclusiva de las formas de vida eucariotas. Se pensaba que los procariotas carecían de la complejidad celular para mantener un cronometraje persistente con compensación de temperatura. Además, la " regla circadiana- infradiana " , ampliamente apoyada, estipulaba que las funciones celulares solo podían acoplarse a un oscilador circadiano en las células que se dividían solo una vez en un período de 24 horas. Los procariotas, que a menudo se someten a división celular varias veces en un solo día, no lograron cumplir con esta condición. [1]
Con el tiempo, la evidencia creciente comenzó a desafiar esta afirmación. Por ejemplo, la separación temporal discreta de la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno observada en las cianobacterias sugirió la existencia de algún mecanismo de control circadiano. [2] Finalmente, en 1986 Tan-Chi Huang y sus colegas descubrieron y caracterizaron ritmos robustos de fijación de nitrógeno de 24 horas en las cianobacterias Synechococcus , demostrando ritmicidad circadiana en una especie procariota. [3] [4] [5] Tras estos descubrimientos, los cronobiólogos se propusieron identificar los mecanismos moleculares que gobiernan el funcionamiento del reloj cianobacteriano.
Descubrimiento del reloj de las cianobacterias
Takao Kondo , Carl Johnson y Susan Golden usaron luciferasa bacteriana , un reportero de la expresión génica, en el gen psbAI para monitorear la actividad de este gen reloj que se encuentra en las cianobacterias Synechococcus . La transformación de un mutante de reloj de período largo de 44 horas, C44a , con una biblioteca de ADN genómico de tipo salvaje (WT) en un vector plasmídico permitió probar "clones de rescate" con un período normal de 25 horas. Cuando la biblioteca de ADN de este clon rescatado se colocó en un plásmido en el sitio original, se encontró que C44a estaba completamente rescatado. Se encontró que un solo grupo de genes, kaiABC , era de naturaleza rítmica cuando se secuenció el fragmento del plásmido responsable del rescate. kaiABC se compone de tres genes individuales: kaiA , kaiB y kaiC . El examen de los patrones de rescate en más de 50 mutantes de reloj que mostraban períodos cortos, períodos largos o arritmia reveló la restauración del fenotipo WT en todos los mutantes. La secuenciación adicional reveló 19 mutantes específicos de kaiABC en total , 14 de los cuales tenían mutaciones en kaiC , 3 en kaiA y 2 en kaiB . [6] Todos los fenotipos mutantes causados por la sustitución de un solo aminoácido en uno de los genes antes mencionados determinaron que las proteínas Kai desempeñan un papel importante en el reloj circadiano de Synechococcus .
Inicialmente, se pensó que era necesario un ciclo de retroalimentación de transcripción-traducción para crear ritmos circadianos, por lo que se creía que kaiABC también tendría esta función. Sin embargo, más tarde se descubrió que la inhibición de la acumulación de ARNm de kaiBC utilizando un inhibidor de la transcripción o traducción no evitaba el ciclo circadiano de la fosforilación de kaiC. Por tanto, se da el caso de que la ritmicidad del reloj de las cianobacterias es independiente tanto de la transcripción como de la traducción. [7] Además, se llevaron a cabo experimentos para probar la oscilación autosostenible de la fosforilación de KaiC, que es importante en la regulación del grupo de genes kaiABC . Al incubar KaiC junto con KaiA y KaiB, así como ATP, se demostró el aspecto de compensación de temperatura del reloj KaiABC. Además, dichos períodos circadianos observados en mutantes in vivo de kaiC también se observaron en cepas in vitro . [8]
Historia evolutiva
Las cianobacterias son un grupo de bacterias fotosintéticas fijadoras de nitrógeno que se sabe que son una de las primeras formas de vida en la Tierra, y se cree que surgieron hace al menos 3.500 millones de años (Mya). Son los únicos procariotas fotosintéticos oxidativos conocidos. [9] Las cianobacterias utilizan relojes circadianos para regular la fijación de nitrógeno, la división celular y otros procesos metabólicos. La gran mayoría de los genes de las cianobacterias se expresan de forma circadiana, por lo general se clasifican en las categorías de Clase I (pico al anochecer) y Clase II (pico del amanecer) según su función específica. [10]
La expresión rítmica de los genes de las cianobacterias es impulsada por la oscilación en el estado de fosforilación del oscilador Kai y su interacción con varios mecanismos de salida. La evolución de los tres genes kai , kaiA , kaiB y kaiC , sigue siendo un área de estudio activo. La evidencia filogenética reciente sugiere que los genes kai emergieron secuencialmente: kaiC casi 3.800 Mya, kaiB entre 3.500-2.3200 Mya y kaiA más recientemente alrededor de 1.000 Mya. La fusión de kaiC y kaiB en un operón bajo el control de un solo promotor se produjo poco después de la aparición de kaiB en el genoma. [9]
Si bien los tres genes kai se requieren independientemente para la ritmicidad circadiana sostenida en las cianobacterias, el gen kaiA está restringido a un grupo de cianobacterias de orden superior. Por ejemplo, mientras que los géneros de cyanobacterial Synechococcus y Prochlorococcus están estrechamente relacionados, kaiA está ausente en las especies de Prochlorococcus . Las cianobacterias que carecen de kaiA muestran oscilaciones en la expresión génica y la progresión del ciclo celular, pero estos ritmos no son autosuficientes y desaparecen rápidamente en condiciones constantes. [11]
En contraste con las especies de cianobacterias que carecen de genes kai , algunos miembros de la familia Synechococcus expresan parálogos de kaiB y kaiC denominados kaiC2 , kaiB2 , kaiC3 y kaiB3 . [9] La función de este conjunto expandido de genes de reloj sigue siendo especulativa, pero la evidencia actual sugiere que estos parálogos ayudan a ajustar un ritmo circadiano central establecido por kaiA , kaiB1 y kaiC1 . [10]
Se han identificado ortólogos de los genes kaiB y kaiC en algunas especies de Archaea y Proteobacteria . Probablemente originados por transferencia lateral, algunos de estos ortólogos , particularmente en los casos en los que kaiB y kaiC son coincidentes, han sido tentativamente implicados en mecanismos rudimentarios de cronometraje. [9] [12] Otros desempeñan funciones en procesos celulares sorprendentemente divergentes, como las respuestas al estrés oxidativo y salino de Legionella pneumophila . [13]
Función
Papel en el reloj circadiano
El oscilador circadiano central de las cianobacterias, codificado por los genes kaiA , kaiB y kaiC , regula los patrones globales de expresión génica y gobierna los procesos celulares esenciales, incluida la fotosíntesis y la división celular. Los ritmos cíclicos y secuenciales de fosforilación y desfosforilación de KaiC constituyen el mecanismo de cronometraje del oscilador tanto in vivo como in vitro .
KaiC está organizado como un homohexámero en forma de anillo. Cada componente monomérico contiene cuatro motivos estructurales esenciales: un dominio CI, un dominio CII, un dominio de unión al bucle B y una cola que sobresale del extremo C-terminal conocido como bucle A. Debido a que los dominios CI y CII están alineados en el hexámero KaiC, se denominan colectivamente anillos CI y CII. [14] KaiC tiene actividad tanto autocinasa como autofosfato intrínseca, cada una de las cuales puede ser modulada por la unión de KaiA y KaiB. En particular, la fosforilación y desfosforilación de los residuos Ser431 y Thr432 en el anillo CII impulsan los ritmos circadianos en el oscilador Kai. [15]
Al comienzo del día subjetivo, los residuos Ser431 y Thr432 del hexámero KaiC no están fosforilados y los dominios del bucle A de sus monómeros constituyentes están expuestos. KaiA se une al dominio de bucle A de KaiC, promoviendo la actividad autocinasa. La fosforilación de la proteína se produce de forma secuencial y ordenada: primero se fosforila Thr432, seguido de Ser431. La fosforilación del residuo Ser431 impulsa un cambio conformacional significativo en el hexámero KaiC. Los anillos CI y CII del complejo proteico se apilan más estrechamente, exponiendo el bucle B previamente ocluido. El bucle B, a su vez, recluta a KaiB, que se une simultáneamente a KaiA y KaiC. La unión de KaiB elimina KaiA del bucle A y, a su vez, promueve la actividad autofosfatasa de KaiC e inhibe su actividad autocinasa. La desfosforilación de KaiC ocurre en la noche subjetiva y procede en el orden inverso de la fosforilación; Thr432 se desfosforila antes que Ser431. [10]
En última instancia, estos ritmos circadianos en la fosforilación de KaiC regidos por la unión de KaiA y KaiB crean un oscilador posterior a la traducción que puede interactuar con ambas vías de entrada para adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes y las vías de salida para mediar eventos transcripcionales.
Salidas circadianas y conmutación de plegado KaiB
Aunque el oscilador Kai es capaz de generar ritmos endógenos en la fosforilación, no influye directamente en la expresión génica; ninguna de las proteínas Kai posee dominios de unión al ADN. En cambio, un sistema de dos componentes que consta de SasA, una histidina quinasa y RpaA, un factor de transcripción, conecta los cambios en la fosforilación de KaiC con los eventos transcripcionales.
SasA puede unirse al bucle B expuesto de la molécula KaiC tras la fosforilación del residuo Ser431. Esta interacción impulsa la autofosforilación de SasA y la posterior fosfotransferencia a RpaA. Phospho-RpaA activa la expresión de genes de picos de amanecer (Clase 1) y reprime la expresión de genes de picos de amanecer (Clase 2). Por el contrario, la RpaA no fosforilada reprime la expresión de genes de clase 1. Como resultado, la fosforilación rítmica del factor de transcripción, impulsada por el oscilador Kai y la actividad SasA asociada, produce patrones rítmicos en la expresión génica. [dieciséis]
KaiB actúa como un importante regulador de la vía SasA-RpaA y exhibe adaptaciones estructurales que contribuyen a la generación del ritmo circadiano y facilitan la interacción con SasA y KaiC. La mayoría de KaiB expresada en cianobacterias existe como un homotetrámero inactivo, incapaz de interactuar con KaiC. El tetrámero KaiB existe en equilibrio con una forma monomérica de la proteína. Sin embargo, KaiB monomérico debe sufrir un cambio radical en la estructura terciaria para asociarse con KaiC, pasando de una conformación de estado fundamental (gs-KaiB) a una conformación de cambio de pliegues (fs-KaiB) capaz de unirse a KaiC B- círculo. Hasta la fecha, KaiB es la única proteína de reloj metamórfica conocida, una clase de proteínas capaces de cambiar de forma reversible. [10]
Fs-KaiB tiene un pliegue similar a tiorredoxina que se parece mucho al extremo N-terminal de SasA y desplaza competitivamente la unión de la quinasa a KaiC. Sin embargo, el cambio de conformación de gs-KaiB a fs-KaiB ocurre lentamente, lo que permite la unión de SasA a KaiC y la activación aguas abajo de RpaA desde el mediodía, cuando el bucle B queda expuesto por primera vez, hasta el anochecer. [17] Como resultado, el fosfo-RpaA se acumula a medida que avanza el día y alcanza su punto máximo cerca del anochecer, lo que aumenta el tiempo apropiado en la expresión de genes de Clase 1. Además, este retraso en la unión de KaiB retrasa el inicio de la actividad autofosfatasa en KaiC, lo que contribuye al período circadiano del oscilador de cianobacterias.
Regulación del oscilador Kai
Si bien la ritmicidad en el oscilador KaiABC puede reconstituirse in vitro , el reloj está sujeto a varios niveles adicionales de regulación in vivo . Por ejemplo, se debe mantener una relación estequiométrica de los componentes del reloj para preservar la ritmicidad. [18] kaiB y kaiC , cuyos niveles de transcripción y proteína oscilan considerablemente en el transcurso del día, constituyen un operón bajo el control de un solo promotor y se transcriben como un ARNm policistrónico. Por el contrario, los niveles de proteína de KaiA, que se encuentran bajo el control de un promotor independiente, permanecen bastante durante un período de 24 horas. [10] [19]
Además, la fase del oscilador Kai se puede cambiar en respuesta a cambios ambientales. Sin embargo, a diferencia de los mecanismos de cambio de fase caracterizados en organismos eucariotas, los fotopigmentos no parecen desempeñar un papel en la activación del reloj de las cianobacterias. En cambio, los mecanismos de entrada identificados se basan en cambios bioquímicos que rastrean las reacciones fotosintéticas realizadas por la cianobacteria, reacciones que exhiben aumentos de velocidad proporcionales a la intensidad de la luz ambiental. CikA y LdpA, por ejemplo, detectan el estado redox del entorno intracelular y transmiten los cambios al oscilador Kai. [20] Además, KaiA y KaiC parecen detectar directamente los metabolitos de la fotosíntesis, específicamente quinona y ATP , y ajustan la fase del oscilador en consecuencia. [20] [21] Hasta la fecha, KaiB no ha estado implicado en una vía de entrada capaz de activar el reloj de las cianobacterias.
La investigación actual
Tanto el laboratorio del Dr. Carl Johnson en la Universidad de Vanderbilt como el laboratorio del Dr. Michael Rust en la Universidad de Chicago tienen esfuerzos de investigación enfocados en el complejo KaiABC. El laboratorio de Johnson, en colaboración con el laboratorio del Dr. Hassane Mchaourab, se centra en el uso de métodos biofísicos para explicar cómo oscila el reloj de las cianobacterias in vitro . Además, esperan descubrir el significado adaptativo de los ritmos circadianos utilizando mutantes del gen del reloj de las cianobacterias. [22] El laboratorio de Rust está investigando cómo las interacciones de proteínas, neurotransmisores y gradientes de iones producen el comportamiento de las células de cianobacterias vivas, utilizando una combinación de técnicas como microscopía bioquímica avanzada y modelado matemático. [23]
Referencias
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