Science：生物钟为何是二十四小时

来源： 生物通   发布者：张荐辕   日期：2015-06-29  

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？ 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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