Bakteryjny rytm dobowy - Bacterial circadian rhythm

Bakteryjne rytmy dobowe , podobnie jak inne rytmy dobowe , są endogennymi „zegarami biologicznymi”, które mają następujące trzy cechy: (a) w stałych warunkach (tj. stała temperatura i stałe światło {LL} lub stała ciemność {DD}) oscylują z okres, który jest bliski, ale nie dokładnie, 24 godziny, (b) ten „ swobodny ” rytm jest kompensowany temperaturowo, oraz (c) rytm zostanie wprowadzony do odpowiedniego cyklu środowiskowego.

Do połowy lat 80. uważano, że tylko komórki eukariotyczne mają rytm dobowy. Obecnie wiadomo, że cyjanobakterie (typ fotosyntetycznych eubakterii ) mają dobrze udokumentowane rytmy dobowe, które spełniają wszystkie kryteria rytmów dobowych w dobrej wierze. W tych bakteriach trzy kluczowe białka, których struktury zostały określone, mogą tworzyć molekularny mechanizm zegarowy, który koordynuje globalną ekspresję genów. System ten poprawia sprawność sinic w rytmicznych środowiskach.

Historia: czy prokariota są zdolne do rytmu okołodobowego?

Do połowy lat 80. wierzono, że tylko eukarionty mają układ dobowy.

W latach 1985-6 kilka grup badawczych odkryło, że cyjanobakterie wykazują dobowe rytmy wiązania azotu zarówno w cyklach światło/ciemność (LD), jak i przy stałym świetle. Grupa Huang i współpracowników jako pierwsza rozpoznała wyraźnie, że cyjanobakterie Synechococcus sp. RF-1 wykazywał rytmy dobowe, aw serii publikacji, począwszy od 1986 r., wykazał wszystkie trzy istotne cechy rytmów dobowych opisane powyżej w tym samym organizmie, jednokomórkowym słodkowodnym Synechococcus sp. RF-1. Innym przełomowym badaniem było badanie Sweeneya i Borgese.

Zainspirowana badaniami wspomnianych pionierów, sinica Synechococcus elongatus została genetycznie przekształcona za pomocą reportera lucyferazy , który umożliwił nieinwazyjną ocenę rytmicznej ekspresji genów jako rytmicznie „świecące” komórki. System ten umożliwił niezwykle precyzyjny pomiar dobowego rytmu luminescencji w populacjach komórek, a nawet w pojedynczych komórkach sinic.

Związek z podziałem komórek

Pomimo przewidywań, że zegary dobowe nie będą wyrażane przez komórki, które podwajają się szybciej niż raz na 24 godziny, rytm sinic utrzymuje się w hodowlach, które rosną z czasem podwojenia tak szybkim, jak jeden podział co 5–6 godzin.

Adaptacyjne znaczenie

Czy zegarmistrzowie dobowi poprawiają kondycję organizmów rosnących w naturalnych warunkach? Pomimo oczekiwań, że zegary okołodobowe są zwykle uważane za poprawiające sprawność organizmów poprzez poprawę ich zdolności przystosowywania się do cykli dobowych pod wpływem czynników środowiskowych, istnieje niewiele rygorystycznych testów tej propozycji w jakimkolwiek organizmie. Sinice to jedne z nielicznych organizmów, na których przeprowadzono taki test. Test sprawności adaptacyjnej przeprowadzono przez zmieszanie szczepów sinic, które wyrażają różne właściwości okołodobowe (tj. rytmiczność vs arytmiczność, różne okresy, itp.) i hodowlę ich w rywalizacji w różnych warunkach środowiskowych. Pomysł polegał na ustaleniu, czy posiadanie odpowiednio funkcjonalnego systemu zegarowego poprawia sprawność w konkurencyjnych warunkach. W rezultacie szczepy z funkcjonującym zegarem biologicznym przewyższają szczepy arytmiczne w środowiskach o rytmicznym cyklu światła/ciemności (np. 12 godzin światła na przemian z 12 godzinami ciemności), podczas gdy w środowiskach „stałych” (np. oświetlenie) rytmiczne i arytmiczne szczepy rosną w porównywalnym tempie. Wśród szczepów rytmicznych o różnych okresach, szczepy, których okres endogenny najbardziej odpowiada okresowi cyklu środowiskowego, są w stanie prześcignąć szczepy, których okres nie odpowiada okresowi środowiska.

Globalna regulacja ekspresji genów i topologii chromosomów

W organizmach eukariotycznych około 10-20% genów ulega ekspresji rytmicznej (co mierzy się rytmami obfitości mRNA). Jednak w przypadku sinic znacznie większy odsetek genów jest kontrolowany przez zegar dobowy. Na przykład jedno badanie wykazało, że aktywność zasadniczo wszystkich promotorów jest regulowana rytmicznie. Mechanizm, za pomocą którego ta globalna regulacja genów jest mechanicznie powiązana z zegarem dobowym, nie jest znany, ale może być związany z rytmicznymi zmianami w topologii całego chromosomu sinic.

Molekularny mechanizm mechanizmu zegarowego sinic

System reporterowy S. elongatus lucyferazy został użyty do przeszukiwania mutantów genu zegara, z których wiele zostało wyizolowanych.

Początkowo mechanizm zegarowy cyjanobakterii wydawał się być pętlą sprzężenia zwrotnego transkrypcji i translacji, w której białka zegarowe autoregulują aktywność własnych promotorów w procesie podobnym w koncepcji do pętli zegara okołodobowego eukariontów. dowody wskazują, że transkrypcja i translacja nie była konieczna dla rytmów okołodobowych białek Kai, najbardziej spektakularnym jest to, że trzy oczyszczone białka Kai mogą odtworzyć w probówce oscylacje okołodobowe z kompensacją temperatury.

Wyjście tego oscylatora do rytmów ekspresji genów może być za pośrednictwem jednego lub obu następujących mechanizmów: (1) Biochemiczny Model Kaskadowy, który implikuje globalnie działające czynniki transkrypcyjne, RpaA i B. RpaA wydaje się być sprzężone z centralnym KaiABC oscylator przez kinazę histydynową SasA poprzez dwuskładnikową ścieżkę sygnalizacyjną i/lub (2) Hipotezę Chromosomów/Nukleoidów, w której zegar dobowy organizuje dramatyczne dobowe zmiany w topologii DNA, co powoduje zmianę szybkości transkrypcji.

Wizualizacja „koła zębatego” mechanizmu zegarowego: biologia strukturalna białek zegarowych

System dobowy sinic jest na tyle wyjątkowy, że jest jedynym systemem dobowym, w którym rozwiązano struktury białek zegarowych o pełnej długości. W rzeczywistości określono struktury wszystkich trzech białek Kai. KaiC tworzy heksamer przypominający podwójnego pączka z centralnym porem, który jest częściowo zamknięty na jednym końcu. W KaiC znajduje się dwanaście miejsc wiązania ATP i zidentyfikowano reszty, które są fosforylowane podczas rytmu fosforylacji in vitro. KaiA ma dwie główne domeny i tworzy dimery, w których domeny N-końcowe są „zamienione” z domenami C-końcowymi. KaiB został pomyślnie wykrystalizowany z trzech różnych gatunków cyjanobakterii i tworzy dimery lub tetramery.

Struktury trójwymiarowe okazały się pomocne w wyjaśnieniu mechanizmu zegara sinicowego poprzez dostarczenie konkretnych modeli sposobów interakcji i wzajemnego oddziaływania trzech białek Kai. Podejścia strukturalne umożliwiły również wizualizację kompleksów KaiA/KaiB/KaiC w funkcji czasu, co umożliwiło zaawansowane modelowanie matematyczne rytmu fosforylacji in vitro. W związku z tym elementy zegara cyjanobakterii i ich interakcje można wizualizować w czterech wymiarach (trzy w przestrzeni, jeden w czasie). Wyjaśniono wzorce formacji czasowej kompleksu KaiA/KaiB/KaiC, wraz z interpretacją mechanizmu rdzenia opartego na na wzorcach fosforylacji KaiC i dynamice kompleksu KaiA/KaiB/KaiC. Ponadto zastosowano metody jednocząsteczkowe (mikroskopia sił atomowych o dużej prędkości) do wizualizacji w czasie rzeczywistym i ilościowego określenia dynamicznych interakcji KaiA z KaiC w subsekundowych skalach czasowych. Te interakcje regulują oscylację okołodobową poprzez modulację wiązania magnezu w KaiC.

Alternatywny pogląd na rdzeń mechanizmu tego niezwykłego zegara opiera się na obserwacjach aktywności ATPazy KaiC. KaiC hydrolizuje ATP z wyjątkowo powolnym tempem, wynoszącym zaledwie 15 cząsteczek ATP na monomer KaiC na 24 godziny. Szybkość tej aktywności ATPazy jest kompensowana temperaturowo, a aktywności białek KaiC typu dzikiego i zmutowanych okresowo są wprost proporcjonalne do ich częstotliwości okołodobowych in vivo , co sugeruje, że aktywność ATPazy definiuje okres okołodobowy. Dlatego niektórzy autorzy sugerowali, że aktywność ATPazy KaiC stanowi najbardziej podstawową reakcję leżącą u podstaw periodyczności okołodobowej w sinicach.

Przewaga dobowa

W kontekście bakteryjnych rytmów okołodobowych , szczególnie w przypadku sinic , przewaga okołodobowa odnosi się do zwiększonej przewagi konkurencyjnej szczepów sinic, które „rezonują” z rytmem okołodobowym środowiska . Rozważmy na przykład szczep z okresem wolnego biegu (FRP) wynoszącym 24 godziny, który jest hodowany razem ze szczepem, który ma okres wolnego biegu (FRP) wynoszący 30 godzin w cyklu światło-ciemność 12 godzin światła i 12 godzin ciemności (LD 12:12). Szczep, który ma 24-godzinny FRP, z czasem przewyższy szczep 30-godzinny w tych warunkach LD 12:12. Z drugiej strony, w cyklu jasno-ciemnym obejmującym 15 godzin światła i 15 godzin ciemności, 30-godzinny szczep przewyższy szczep 24-godzinny. Co więcej, rytmiczne szczepy sinic będą konkurować ze szczepami arytmicznymi w 24-godzinnych cyklach światło/ciemność, ale przy ciągłym świetle szczepy arytmiczne są w stanie współistnieć z komórkami typu dzikiego w kulturach mieszanych.

Inne bakterie

Jedyną grupą prokariotyczną z dobrze udokumentowanym mechanizmem pomiaru czasu okołodobowego są sinice. Ostatnie badania sugerują, że wśród innych prokariotów mogą istnieć 24-godzinne mechanizmy pomiaru czasu. Jednym z takich przykładów jest fioletowa, niesiarkowa bakteria Rhodopseudomonas palustris , która zawiera homologi KaiB i KaiC i wykazuje adaptacyjne, zależne od KaiC wzmocnienie wzrostu w 24-godzinnych cyklicznych środowiskach. Jednakże doniesiono , że R. palustris wykazywał słaby wewnętrzny rytm wiązania azotu w warunkach swobodnych w stałych warunkach. Brak rytmu u R. palustris w stałych warunkach ma wpływ na adaptacyjną wartość wewnętrznego mechanizmu pomiaru czasu. Dlatego system R. palustris został zaproponowany jako „proto” dobowy chronometrażer, który wykazuje niektóre części systemów dobowych (homologów kaiB i kaiC), ale nie wszystkie.

Istnieją dowody na istnienie zegara dobowego w Bacillus subtilis . Testy promotora lucyferazy wykazały wzorce ekspresji genów ytvA, genu kodującego fotoreceptor światła niebieskiego, który spełnia kryteria zegara dobowego. Jednak nie ma jeszcze solidnej demonstracji zegara w B. subtilis, a potencjalne mechanizmy okołodobowej regulacji genów w B. subtilis pozostają nieznane.

Innym bardzo interesującym przykładem jest przypadek mikrobiomu. Możliwe, że zegary dobowe odgrywają rolę w zachowaniu mikroflory jelitowej. Te drobnoustroje doświadczają codziennych zmian, ponieważ ich gospodarze jedzą zgodnie z codzienną rutyną (spożywanie w ciągu dnia w przypadku zwierząt dobowych i w nocy w przypadku żywicieli nocnych). Obecność codziennego chronometrażysty może umożliwić bakteriom jelitowym przewidywanie zasobów pochodzących od gospodarza tymczasowo, dając tym gatunkom bakterii przewagę konkurencyjną nad innymi gatunkami w jelicie. Wiadomo, że niektóre bakterie czerpią wskazówki z zegara dobowego gospodarza w postaci melatoniny .

Zobacz też

• Rytm dobowy
• Chronobiologia
• Cyjanobakteria

Bibliografia

Dalsza lektura