Déverrouiller le fonctionnement complexe de l’horloge biologique

Les scientifiques veulent accroître leur compréhension des rythmes circadiens, ces cycles d’horloge biologique interne de 24 heures de sommeil et de réveil qui se produisent dans les organismes, allant des humains aux plantes en passant par les champignons et les bactéries. Une équipe de recherche a examiné le fonctionnement complexe des cyanobactéries et peut désormais mieux comprendre ce qui pilote son horloge circadienne.

L’équipe, dirigée par des chercheurs de l’Institut des sciences moléculaires des Instituts nationaux des sciences naturelles d’Okazaki, au Japon, a publié ses conclusions le 15 avril 2022 dans Avancées scientifiques.

L’équipe a concentré ses recherches sur KaiC, la protéine horloge qui régule le rythme circadien chez les cyanobactéries, un type de bactérie vivant dans tous les types d’eau et que l’on trouve souvent dans les algues bleues. Ces horloges biologiques dans les organismes sont composées de protéines. L’horloge circadienne cyanobactérienne est l’horloge circadienne la plus simple en ce qui concerne le nombre de ses composants, mais il s’agit toujours d’un système très complexe qui peut fournir aux scientifiques des indices sur le fonctionnement de toutes les horloges circadiennes. Les cyanobactéries bleuâtres sont des micro-organismes qui peuvent être trouvés dans des environnements allant des eaux salées et douces aux sols et aux roches. L’équipe a examiné la base structurelle de l’allostérie, les changements complexes qui se produisent dans la forme et l’activité de la protéine KaiC dans les cyanobactéries. L’allostérie pilote l’horloge circadienne des cyanobactéries.

L’équipe a étudié les structures atomiques de la protéine horloge KaiC, en criblant des milliers de conditions de cristallisation. Cette étude détaillée des structures atomiques leur a permis de couvrir l’ensemble du cycle de phosphorylation, ce processus par lequel un phosphate est transféré à la protéine (Figure 2, panneau inférieur). La phosphorylation coopère avec un autre cycle de réaction, l’hydrolyse de l’ATP, qui correspond aux événements consommateurs d’énergie déterminant la vitesse d’horloge (Figure 2, panneau supérieur). Le système phosphorylation-hydrolyse de l’ATP fonctionne comme un régulateur de l’activité cellulaire. Pour les aider à comprendre la base de l’allosterie, ils ont cristallisé la protéine KaiC dans huit états distincts, leur permettant d’observer la coopérativité entre le cycle de phosphorylation et le cycle d’hydrolyse de l’ATP fonctionnant comme deux engrenages (Figure 2, à droite).

Dans le passé, les scientifiques ont étudié le cycle du phosphore de la protéine KaiC in vivo, in vitro et in silico. Pourtant, on savait peu de choses sur la façon dont l’allostérie régule le cycle du phosphore dans KaiC.

En étudiant le KaiC dans les huit états distincts, l’équipe a pu observer un couplage qui se produit dans le cycle du phosphore et le cycle d’hydrolyse de l’ATPase. Ce couplage des deux engrenages entraîne l’horloge circadienne des cyanobactéries.

« Parce que les protéines sont composées d’un grand nombre d’atomes, il n’est pas facile de comprendre les mécanismes de leurs fonctions compliquées mais ordonnées. Nous devons suivre patiemment les changements structurels des protéines », a déclaré Yoshihiko Furuike, professeur adjoint à l’Institut de recherche moléculaire. Sciences, Instituts nationaux des sciences naturelles.

La protéine KaiC active et inactive rythmiquement les cycles de réaction de manière autonome pour réguler les états d’assemblage d’autres protéines liées à l’horloge. Ainsi, en pensant à leurs prochaines étapes, l’équipe pourrait utiliser la biologie structurale pour révéler les mécanismes atomiques d’accélération et de décélération des rotations des engrenages. « Notre objectif est de voir toutes les protéines d’horloge cyanobactériennes pendant l’oscillation au niveau atomique et de décrire le moment où le rythme ordonné découle de la dynamique atomique chaotique », a déclaré Furuike.

Leurs travaux peuvent servir d’outil de recherche, aidant les scientifiques à mieux comprendre les mécanismes à l’œuvre dans le cycle de l’horloge circadienne. À l’avenir, l’équipe de recherche peut voir ses découvertes avoir des applications plus larges. Les mammifères, les insectes, les plantes et les bactéries ont tous leurs propres protéines d’horloge avec des séquences et des structures distinctes. « Cependant, la logique derrière la relation entre la dynamique de KaiC et les fonctions d’horloge peut être appliquée à d’autres études sur divers organismes », a déclaré Furuike.