Erschließung komplexer Funktionsweisen der biologischen Uhr

Wissenschaftler wollen ihr Verständnis der zirkadianen Rhythmen erweitern, jener internen biologischen 24-Stunden-Uhrzyklen des Schlafens und Wachens, die in Organismen auftreten, die von Menschen über Pflanzen und Pilze bis hin zu Bakterien reichen. Ein Forschungsteam hat die komplexe Funktionsweise von Cyanobakterien untersucht und kann nun besser verstehen, was ihre circadiane Uhr antreibt.

Das Team unter der Leitung von Forschern des Institute for Molecular Science der National Institutes of Natural Sciences in Okazaki, Japan, veröffentlichte seine Ergebnisse am 15. April 2022 in Wissenschaftliche Fortschritte.

Das Team konzentrierte seine Forschung auf KaiC, das Uhrenprotein, das den circadianen Rhythmus in Cyanobakterien reguliert, einer Bakterienart, die in allen Arten von Wasser lebt und häufig in Blaualgen vorkommt. Diese biologischen Uhren in Organismen bestehen aus Proteinen. Die zirkadiane Uhr der Cyanobakterien ist die einfachste zirkadiane Uhr, was die Anzahl ihrer Komponenten anbelangt, dennoch ist sie immer noch ein sehr komplexes System, das Wissenschaftlern Hinweise auf die Funktionsweise aller zirkadianen Uhren geben kann. Die bläulichen Cyanobakterien sind Mikroorganismen, die in Umgebungen zu finden sind, die von Salz- und Süßwasser über Böden bis hin zu Felsen reichen. Das Team untersuchte die strukturelle Grundlage für Allosterie, die komplexen Veränderungen, die in Form und Aktivität des KaiC-Proteins in den Cyanobakterien auftreten. Allosterie treibt die zirkadiane Uhr der Cyanobakterien an.

Das Team untersuchte die atomaren Strukturen des Uhrenproteins KaiC, indem es Tausende von Kristallisationsbedingungen untersuchte. Diese detaillierte Untersuchung der Atomstrukturen ermöglichte es ihnen, den gesamten Phosphorylierungszyklus abzudecken, den Prozess, bei dem ein Phosphat auf das Protein übertragen wird (Abbildung 2, unteres Feld). Die Phosphorylierung kooperiert mit einem anderen Reaktionszyklus, der ATP-Hydrolyse, bei dem es sich um energieverbrauchende Ereignisse handelt, die die Taktgeschwindigkeit bestimmen (Abbildung 2, oberes Feld). Das Phosphorylierungs-ATP-Hydrolysesystem wirkt wie ein Regulator für die Zellaktivität. Um ihnen zu helfen, die Grundlage für die Allosterie zu verstehen, kristallisierten sie das KaiC-Protein in acht verschiedenen Zuständen, wodurch sie die Kooperativität zwischen dem Phosphorylierungszyklus und dem ATP-Hydrolysezyklus beobachten konnten, die wie zwei Zahnräder funktionierten (Abbildung 2, rechts).

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler den Phosphorzyklus des KaiC-Proteins in vivio, in vitro und in silico untersucht. Noch war wenig darüber bekannt, wie Allosterie den Phosphorzyklus in KaiC reguliert.

Durch die Untersuchung des KaiC in den acht unterschiedlichen Zuständen konnte das Team eine Kopplung beobachten, die im Phosphorzyklus und im ATPase-Hydrolysezyklus auftritt. Diese Kopplung der beiden Zahnräder treibt die zirkadiane Uhr der Cyanobakterien an.

„Da Proteine ​​aus einer großen Anzahl von Atomen bestehen, ist es nicht einfach, die Mechanismen ihrer komplizierten, aber geordneten Funktionen zu verstehen. Wir müssen die strukturellen Veränderungen von Proteinen geduldig verfolgen“, sagte Yoshihiko Furuike, Assistenzprofessorin am Institut für Molekulare Wissenschaft, National Institutes of Natural Sciences.

Das KaiC-Protein aktiviert und deaktiviert die Reaktionszyklen autonom rhythmisch, um die Assemblierungszustände anderer uhrbezogener Proteine ​​zu regulieren. Wenn das Team über seine nächsten Schritte nachdenkt, könnte es die Strukturbiologie nutzen, um die atomaren Mechanismen der Beschleunigung und Verzögerung der Zahnraddrehungen aufzudecken. „Unser Ziel ist es, alle Cyanobakterien-Uhrproteine ​​während der Oszillation auf atomarer Ebene zu sehen und den Moment zu beschreiben, in dem der geordnete Rhythmus aus einer chaotischen Atomdynamik entsteht“, sagte Furuike.

Ihre Arbeit kann als Forschungswerkzeug dienen und Wissenschaftlern dabei helfen, die Mechanismen, die im zirkadianen Uhrzyklus wirken, besser zu verstehen. Mit Blick auf die Zukunft kann das Forschungsteam sehen, dass ihre Ergebnisse breitere Anwendungen haben werden. Säugetiere, Insekten, Pflanzen und Bakterien haben alle ihre eigenen Uhrenproteine ​​mit unterschiedlichen Sequenzen und Strukturen. „Die Logik hinter der Beziehung zwischen KaiC-Dynamik und Uhrfunktionen kann jedoch auf andere Studien an verschiedenen Organismen angewendet werden“, sagte Furuike.