カイア

カイア
識別子
生物S. elongatus
シンボルカイア
ユニプロットQ79PF6
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構造スイスモデル
ドメインインタープロ

kaiAは「 kaiABC」遺伝子クラスターに属する遺伝子であり、シアノバクテリアSynechococcus elongatusなどの細菌の概日リズムの調節に重要な役割を果たしている。 [ 1 ]これらの細菌にとって、kaiAの発現調節は24時間周期の生物学的リズムを決定する概日リズムにとって極めて重要である。さらに、KaiAはkaiBおよびKaiCと負のフィードバックループ。kaiA遺伝子はKaiCのリン酸化を促進するKaiAタンパク質を産生し、KaiBはKaiAの活性を阻害する。 [ 2 ]

歴史

発見

概日リズムは多様な生物で発見されている。[ 3 ]これらのリズムは様々な生理活動を制御し、生物が環境条件に適応するのを助けている。[ 3 ]シアノバクテリアは概日振動を示す最も原始的な生物である。[ 3 ]シアノバクテリアの時計は、約35億年前の最も古い化石が知られている藍藻で初めて発見された。石浦正弘、スーザン・ゴールデン、カール・H・ジョンソン、近藤隆夫とその同僚は、シアノバクテリアの最小の時計がKaiA、KaiB、およびKaiCの3つのタンパク質で構成されていることを発見した。[ 3 ]（注：kaiは日本語で周期を意味する。）[ 4 ] 近藤が行った実験は、ルシフェラーゼ遺伝子を付加して突然変異誘発を行うことで構成[ 5 ]

シアノバクテリアは、概日時計を持つことが報告された最初の原核生物でした。 [ 6 ]シアノバクテリアの適応にとって、概日時計遺伝子は、窒素固定、細胞分裂、光合成の調節などの基本的な物理プロセスを制御しているため、非常に重要な役割を果たします。[ 6 ] 初期の KaiA 研究は、1998 年の研究論文「シアノバクテリアにおける概日時計フィードバックプロセスとしての遺伝子クラスター kaiABC の発現」で実施され、この論文では、Kai C の発現を増強することで振動を維持するという、遺伝子クラスターと KaiA の機能が詳述されています。 KaiA は、細菌ルシフェラーゼを時計制御遺伝子発現のレポーターとして使用してSynechococcusの時計変異を研究しているときに発見されました。これは、科学者が KaiA と kaiABC 遺伝子クラスターのメカニズムと命名システムを初めて提案した例でした。[ 4 ]

注目すべき研究

中島正人、今井恵子、伊藤博、西脇妙子、村山依子、岩崎秀夫、大山時隆、近藤隆夫の研究者らは、「シアノバクテリアKaiCリン酸化の概日振動のin vitro再構成」実験を実施しました。KaiA、KaiB、KaiCをATP、MgCl 2、緩衝液のみを含む試験管に入れました。[ 7 ]彼らは放射性ATPと、リン酸化されていないKaiCよりもわずかに速く分解するリン酸化KaiCを使用しました。彼らはKaiCの自己加水分解に24時間リズムを観察しました。このシステムは温度補償機能も備えており、24時間リズムに必要なタンパク質はKaiAを含む3つだけであった点が注目に値します。

コニー・フォン、ジョセフ・S・マークソン、クリスタル・M・ウィルホイト、マイケル・J・ラストによる論文「異なる感受性を持つ触媒ドメインから得られる堅牢で調整可能な概日リズム」に掲載された研究は、KaiAとKaiCの数学的関係を示しており、KaiAはKaiCのリン酸化を刺激する。さらに、KaiBはKaiAを隔離し、KaiCの脱リン酸化を促進する。[ 8 ]

さらに、「シアノバクテリア時計タンパク質KaiC、KaiA、およびKaiBの概日リン酸化リズムのin vitro制御」では、細胞内KaiAおよびその他のKaiタンパク質のレベルに応じて、細胞の概日時計が概日リズムに同調するメカニズムを示しています。[ 9 ] KaiAのKaiBおよびKaiCに対する比率は概日リズムを表現し、異なる明暗条件に同調できるKaiA比率に基づいてKaiCのリン酸化を誘導します。

進化の歴史

シアノバクテリアは地球上で最も古い生物の一つであり、生態学的可塑性と適応性に関して最も成功していました。[ 6 ] Dvornyk は kai 遺伝子の系統発生解析を行い、kai 遺伝子がそれぞれ異なる進化の歴史を持っていることを発見しました。kaiA が含まれるフィードバックループは約 1,000 Mya に進化しました。[ 6 ] kaiA 遺伝子の量はごくわずかであるため、その進化の完全な年代測定は不可能です。[ 6 ] kaiA 遺伝子は一部の高等シアノバクテリアにしか見られないため、進化論的に言えば、kaiB や kaiC に比べて kaiA 遺伝子は若いです。[ 6 ] Synechococcus sp. PCC7942 には kaiA がありますが、 P.marinusには存在しません。これらは近縁の単細胞生物ですが、このことからも kaiA 遺伝子の進化的新しさがうかがえます。[ 6 ] KaiA遺伝子は、プロクロロコッカスよりも若い系統のkaiCサブツリーの種のゲノムにも見られます。[ 6 ]そのため、kaiA遺伝子は、シネココッカスとプロクロロコッカスの種分化後、つまり約1,051 ± 1,16.9百万年前と944 ± 92.9百万年前に到来したと考えられます。 [ 6 ]

KaiA遺伝子は、糸状シアノバクテリア（アナベナ属およびノストック属）から単細胞シアノバクテリア（シネコッカス属およびシネコシティス属）までの長さのシアノバクテリアにのみ存在し、単細胞シアノバクテリアは852～900bp長くなります。[ 6 ] KaiA遺伝子は、kai遺伝子の中で最も保存性が低い遺伝子です。[ 6 ] KaiA遺伝子とkaiB遺伝子の短い相同遺伝子は、kaiC遺伝子とは異なり、長いバージョンの3'末端に近い1つの領域のみと一致します。これは、kaiAとkaiBが重複によって進化した可能性が低いことを示唆しています。[ 6 ]具体的には、kaiA遺伝子は1つのコピーしかありませんでした。[ 6 ]

遺伝学とタンパク質構造

KaiAの統計：284個のアミノ酸；[ 4 ]分子量32.6 kD；[ 4 ]等電点4.69。[ 4 ]

Kaiタンパク質は、基本的なプロセス（光リセット期、温度補償、自由走行期間など）が真核生物のプロセスと類似しているにもかかわらず、どの真核生物時計タンパク質とも類似した配列を共有していません。[ 10 ] Kai遺伝子は、ほぼすべてのシアノバクテリアに見られます。[ 10 ] Williamsは、注釈付きのシアノバクテリアゲノムのうち6つに、S. elongatesのkaiB遺伝子とkaiC遺伝子との相同性を維持する2つの連続したORFがあることを発見しました。[ 10 ]これらの配列の関連性のうち、4つのkaiA遺伝子のみが区別可能であり、そのためkai遺伝子の中で最も配列の多様性が高いものとなっています。[ 10 ] Synechocystis sp.株PCC 6803ゲノムにはkaiA遺伝子が1つしかありませんが、kaiBとkaiCには複数あります。[ 10 ] KaiBとkaiCの相同遺伝子は他の真正細菌や古細菌にも見られますが、kaiAはシアノバクテリア（現在24時間周期の生物学的振動を持つ唯一の原核生物）にのみ見られるようです。[ 10 ]

KaiA 3つの機能ドメイン:

1) N末端ドメイン（振幅増幅）[ 11 ]

2) 中央周期調整器領域[ 11 ]

3) C末端クロック発振器ドメイン[ 11 ]

C末端ドメインは二量体形成を助け、KaiAがKaiCに結合することを可能にする。これによりKaiCのリン酸化がさらに促進される。[ 11 ]（下記の機能を参照）

KaiAの凹部の中心にはHis270残基があり、これはKaiAの機能に必須である。[ 11 ]

突然変異

クラスターの直接配列解析から、kaiAには19の変異体（単一アミノ酸置換）のうち3つの変異が見つかった。[ 4 ]したがって、クラスターとKaiタンパク質は、Synechococcusの概日時計に必要な機能を持っている。[ 4 ] IPTG誘導によるkaiAの過剰発現は不規則性をもたらし、周期性にはkaiAだけでなく他の遺伝子の発現が必要であることが実証された。[ 4 ] kaiAの変異誘発により、短周期変異はまれであるが、長周期変異は豊富であることが明らかになった。[ 3 ]具体的には、西村は301の長周期変異、92の不規則変異体、そして1つの短周期変異があることを発見した。[ 3 ]したがって、西村はkaiAの変異は通常、周期の延長につながると結論付けた。[ 3 ]例外は、KaiAに22時間という短い周期が見られた変異体F224Sである。[ 3 ] KaiA変異体の周期は最大50時間で、一部の変異体は不整を示した。[ 3 ] KaiAの変異は選択的に周期の長さを変化させるようで、kaiAが周期を調節できることを示している。[ 3 ] さらに、kaiAタンパク質は、kaiBCの活性化の有無にかかわらず、概日振動の周期の長さを調節することができる。[ 3 ]長い周期は、kaiA内の変異とkaiBCの発現の低下によって引き起こされた。[ 3 ]

KaiAはkaiBCの発現を増強することが分かっている。[ 4 ]特定の変異kaiAタンパク質はkaiBC発現の活性化の欠如のためにリズムを維持できなかったと仮定されている。[ 3 ] 西村は、ほとんどのKaiA変異がPkaiBC活性をさまざまなレベルに低下させたことを発見した。[ 3 ]これは、kaiAタンパク質がkaiBCの活性を増強するという発見と一致している。[ 3 ]彼の実験はさらに、kaiAがシアノバクテリアの時計の位相リセット機構の一部であることを示唆した。[ 3 ] kaiAのクラスター領域にマッピングされた変異は長周期表現型をもたらし、したがってkaiAクラスター領域が概日振動の周期の長さを制御する役割を果たしていることを示唆している。 kaiBCの発現を増加させるKaiAの領域（リズムを可能にする）は、クラスター領域ではない可能性が高い。なぜなら、不整脈変異体（C53S、V76A、F178S、F224S、F274K）はkaiAの別の部分にマッピングされているからである。[ 3 ] ウィリアムズは、KaiA135Nは擬似受信機ドメインであり、KaiAによるKaiCの自己リン酸化の刺激を制御するタイミング入力デバイスであり、したがって概日振動に非常に重要であると仮定した。[ 10 ]

KaiAタンパク質の種類

kaiAタンパク質には長いタイプと短いタイプがあるようです。[ 10 ] S.elongatus、Synechocystis sp. Strain PCC 5803、およびSynechococcus sp. Strain WH8108から集められた長いタイプは、約300のアミノアシル残基を持っています。[ 10 ]カルボキシル末端の100残基には高度な保存性が見られます。[ 10 ]独立したカルボキシル末端ドメインは、糸状の種Anabaena sp. Strain PCC 7120 およびNostoc punctiformeに由来する短いバージョンです。[ 10 ] kaiAタンパク質には、独立して折り畳まれた2つのドメインがあります。KaiA180C（主にαヘリックス構造のアミノ末端）と KaiA189N ドメイン（カルボキシル末端ドメイン、残基1-189に相当）です。[ 10 ] S. elongates kaiAタンパク質は、アミノ領域とカルボキシル領域の2つのドメインを持ち、約50残基のらせん状リンカーで結合しているように見える。[ 10 ]

関数

シアノバクテリアは概日時計システムを示し、KaiA、KaiB、KaiCの3つのタンパク質発振器が、より大きな転写翻訳負のフィードバックループ（TTFL）の発振を促進する翻訳後発振器（PTO）として知られるシステムを構成します。[ 12 ] TTFLは遺伝子発現を促進し、KaiA、KaiB、KaiCを補充し、PTOはシアノバクテリアの概日時計の中核を構成します。[ 12 ]このKaiコアは、 ATP加水分解活性とキナーゼ/ホスファターゼ活性に概日リズムを与え、[ 13 ]両方とも温度補償されます。[ 14 ]さらに、一定光の条件下での自由走行などの実験条件下では、KaiBとKaiCは24時間の概日リズムを持ちますが、KaiAはそうではありません。 [ 12 ]

リン酸化振動

PTOを構成するKaiタンパク質は、約24時間周期でリン酸化/脱リン酸化を振動させる概日時計を生成します。[ 2 ] KaiCタンパク質は、2つの特定のリン酸化部位（スレオニン432とセリン431）を持つ酵素であり、KaiAとKaiBの活性に依存してリン酸化/脱リン酸化のリズムを表現します。[ 12 ] KaiAは、KaiBがKaiAを隔離するまでKaiCのリン酸化を刺激し、スレオニン432とセリン431の決められた順序で脱リン酸化を開始します。KaiAは、スレオニン432のKaiCによる自己リン酸化を刺激し、次にセリン431がこのリン酸化のメカニズムに従います。[ 2 ]スレオニン432とセリン431の両方がリン酸化されると、KaiBがKaiCに結合し、この複合体KaiBCがKaiAの効果を阻害します。[ 2 ] KaiBはこの隔離作用をKaiAが存在する場合にのみ行うことができ、この作用が起こるとKaiAはKaiCを活性化して自己リン酸化させることができない。[ 2 ]最初にスレオニン432が脱リン酸化され、続いてセリン431が脱リン酸化され、この時点でKaiAはKaiC部位のリン酸化を刺激し、振動システムが新たに開始される。[ 12 ]

ATPase振動

キナーゼとホスファターゼの活性を伴うこの概日振動は、ATPase活性と直接関係して起こる。[ 15 ]振動の初期段階では、KaiCがKaiAまたはKaiBのいずれとも複合体を形成していない場合、ATP加水分解の固有の一定速度がATPレベルを制御する。KaiAとKaiCは結合してKaiA​​C複合体を形成し、これがKaiCの自己リン酸化を刺激する。[ 2 ]このリン酸化がATP加水分解を刺激する。[ 15 ] KaiAの結合後、KaiCタンパク質は過リン酸化状態に達する。この過リン酸化の時点で、KaiBがKaiCに結合し、ATP加水分解の阻害が起こる。[ 15 ]その後、KaiCは複合体を形成していない初期の状態に戻り、ATP加水分解速度は再び固有の速度に安定する。[ 15 ]

KaiAとKaiCの相互作用

これらのタンパク質はC末端ドメインが異なりますが、どちらの末端もタンパク質間の相互作用を促進します。[ 2 ] KaiAのC末端ドメインは二量体形成を可能にし、KaiCのC末端ドメインと相互作用する凹面を形成します。[ 2 ]これらのC末端ドメインはヘアピンループ、またはAループに隣接しており、これらが一緒になって興味深い点をもたらします。突然変異によってAテールとC末端ドメインの両方が失われると、KaiAが存在しない場合でもC末端はリン酸化されたままになるため、Aループの機能はKaiCの自己リン酸化と自己脱リン酸化を助けることであると考えられます。[ 2 ]

KaiCには2つのC末端結合ドメインがあり、CI領域にはCKABD1のKaiA結合ドメインがあり、CII領域にはCKABD2のKaiA結合ドメインがあります。[ 16 ] KaiCのCII C末端ドメインは、kaiAによって制御されるキナーゼおよびホスファターゼ機能を維持します。[ 8 ] KaiAはこのドメインと相互作用して阻害ループを形成し、CIIキナーゼ活性を刺激し、隣接する2つのCII残基であるSer431とThr432のリン酸化を開始します。[ 8 ] KaiCとKaiAの結合により、KaiAはAループに解け、Thr-432とSer-431、およびATPを保持するループ領域であるPループ領域の動きが増加します。[ 12 ] Aループの置き換えにより、隣接するループが解放され、KaiAによるKaiCのリン酸化がさらに促進されます。その証拠として、1つのKaiA二量体がKaiCを過リン酸化状態にすることができることが示されています。[ 12 ] KaiA二量体はKaiC六量体と95%の会合を示し、より多くのKaiA二量体がKaiCとの相互作用に参加しています。[ 16 ]したがって、KaiAとKaiCの相互作用は1:1の相互作用ではありません。[ 16 ] KaiA二量体は安定した複合体を形成するのではなく、KaiC二量体と柔軟に会合したり解離したりするため、Kaiリン酸化サイクルですべてのKaiCサブユニットがリン酸化される可能性があります。[ 16 ]

複合化モデル

生化学イメージングにより、概日時計の振動中に形成される様々なKai複合体の組み立てと分解が明らかになった。[ 12 ]この過程で、KaiAとKaiBはKaiC上の部位に結合し、モデルは、KaiAが自己リン酸化を刺激するとKaiCがKaiACになり、それがKaiBC、KaiABCに変換され、[ 17 ]サイクルが続くとKaiCに戻ると決定した。[ 2 ]

仮説モデル

「シアノバクテリアは概日リズムを示すことが知られている最も単純な生物です。」[ 16 ]転写翻訳ベース発振器、すなわち TTO は、KaiC が KaiBC の転写を負に制御し、KaiA が kaiBC の転写を正に制御すると仮定するモデルとして提案されています。[ 16 ] Kai タンパク質は概日リズム制御遺伝子を制御しませんが、シアノバクテリアの TTO モデルではゲノム全体の遺伝子発現を制御します。[ 7 ]この一例は、kaiBC オペロンです。[ 7 ]転写翻訳フィードバックループがどのように周期性を維持し、環境の変化に対してどのように柔軟であるかはまだ不明です。[ 7 ]これらのタンパク質は生物が環境に適応するために不可欠であるため、概日生物学では遺伝子を理解することが不可欠です。[ 7 ]シアノバクテリア Synechococcus elongates (PCC 7942) では、kaiA、kaiB、kaiC が概日時計を構成する必須の構成要素である。[ 7 ] シアノバクテリアの TTO モデルは、KaiC のリン酸化が kaiBC オペロンの転写/翻訳とは無関係に振動するという発見により疑問視されている。[ 7 ]そのため、ペースメーカーは転写/翻訳フィードバックループではなく、kaiC のリン酸化に基づいていると仮定された。[ 7 ] KaiA は kaiC の自己リン酸化を増強する。[ 7 ] KaiA と ATP は T432 のリン酸化を促進する。[ 16 ] KaiB は kaiA の効果を緩和する。[ 7 ] したがって、「KaiC リン酸化の自律振動は、kaiA と kaiB の協力によって生成される可能性がある。」[ 7 ]

参照

参考文献

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