Dos relógios primordiais aos osciladores circadianos

Nature volume 616, páginas 183–189 (2023)Cite este artigo

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Os ritmos circadianos desempenham um papel essencial em muitos processos biológicos, e apenas três proteínas procarióticas são necessárias para constituir um verdadeiro oscilador circadiano pós-tradução1. A história evolutiva das três proteínas Kai indica que KaiC é o membro mais antigo e um componente central do relógio2. Adições subsequentes de KaiB e KaiA regulam o estado de fosforilação de KaiC para sincronização de tempo. O sistema canônico KaiABC em cianobactérias é bem compreendido , mas pouco se sabe sobre sistemas mais antigos que possuem apenas KaiBC. No entanto, há relatos de que eles podem apresentar um mecanismo básico de cronometragem semelhante a uma ampulheta7,8,9. Aqui investigamos o relógio circadiano primordial em Rhodobacter sphaeroides, que contém apenas KaiBC, para elucidar seu funcionamento interno, apesar da falta de KaiA. Usando uma combinação de cristalografia de raios X e microscopia eletrônica criogênica, encontramos uma nova dobra dodecamérica para KaiC, na qual dois hexâmeros são mantidos juntos por um feixe de 12 hélices em espiral. Esta interação é formada pela extensão carboxi-terminal do KaiC e serve como uma antiga porção reguladora que mais tarde é substituída pelo KaiA. Uma mudança de registro em espiral entre as conformações diurnas e noturnas está conectada aos locais de fosforilação através de uma rede alostérica de longo alcance que se estende por mais de 140 Å. Nossos dados cinéticos identificam a diferença na relação ATP/ADP entre o dia e a noite como o sinal ambiental que impulsiona o relógio. Eles também desvendam detalhes mecanísticos que lançam luz sobre a evolução dos osciladores autossustentados.

Os relógios circadianos são osciladores biológicos autossustentados que são onipresentes em organismos procarióticos e eucarióticos. Nos eucariontes, esses sistemas são complexos e altamente sofisticados, enquanto nos procariontes o mecanismo central é regulado por um oscilador pós-tradução que pode ser reconstituído in vitro com ATP e três proteínas (codificadas por kaiA, kaiB e kaiC)1. O trabalho seminal no sistema KaiABC resultou numa compreensão abrangente do seu relógio circadiano. KaiC é o componente central que se autofosforila ligando-se ao KaiA e autodesfosforila após associação com KaiB3,4,5,6. Foi demonstrado in vitro que a interação entre essas três proteínas constitui um verdadeiro oscilador circadiano caracterizado por persistência, reinicialização e compensação de temperatura. Consequentemente, o sistema KaiABC é considerado uma implementação elegante e mais simples de um ritmo circadiano. A história evolutiva dos genes kai estabeleceu o kaiC como o membro mais antigo, datando de cerca de 3,5 bilhões de anos atrás. Adições subsequentes de kaiB e mais recentemente de kaiA formaram os clusters kaiBC e kaiABC existentes, respectivamente . Notavelmente, alguns estudos de organismos mais primitivos que não possuem kaiA sugeriram que os sistemas baseados em kaiBC já poderiam fornecer um mecanismo básico de cronometragem semelhante a uma ampulheta . Ao contrário dos osciladores autossustentados encontrados nas cianobactérias, esse cronômetro requer uma indicação ambiental para acionar o relógio e para o movimento diário da ampulheta. O papel central dos ritmos circadianos em muitos processos biológicos, controlados pelo ciclo diurno e noturno na Terra, torna a sua evolução um tema fascinante.

Aqui investigamos um relógio circadiano tão primitivo através de estudos bioquímicos e estruturais do sistema KaiBC da proteobactéria fotossintética roxa e sem enxofre R. sphaeroides KD131 (doravante, seus componentes são referidos como KaiBRS e KaiCRS). O organismo mostra ritmos sustentados de expressão genética in vivo, mas se o kaiBC é responsável por esta observação permanece inconclusivo na ausência de um nocaute de kaiC11. Um estudo anterior da bactéria intimamente relacionada Rhodopseudomonas palustris que utilizou uma cepa knockout demonstrou causalidade entre o ritmo proto-circadiano de fixação de nitrogênio e a expressão do gene kaiC9. Aqui, através de experimentos in vitro, descobrimos que o KaiBCRS é um relógio circadiano primordial com um mecanismo diferente do oscilador circadiano amplamente estudado em Synechococcus elongatus PCC 7942 (doravante, seus componentes são referidos como KaiASE, KaiBSE e KaiCSE)3,4 ,5,6. Identificamos uma sugestão ambiental que regula o estado de fosforilação e, consequentemente, produz um relógio de 24 horas in vivo como a mudança na relação ATP-ADP entre o dia e a noite. Nossos resultados de estudos cinéticos combinados com estruturas de raios X e microscopia eletrônica criogênica (crio-EM) dos estados relevantes desvendam uma via alostérica de longo alcance que é crucial para o funcionamento da ampulheta e lança luz sobre a evolução da auto-sustentação. osciladores. Notavelmente, encontramos uma nova dobra de proteína para KaiCRS e descobrimos uma mudança de registro no domínio da bobina enrolada que se estende por cerca de 115 Å como o principal regulador neste sistema, que mostra semelhanças estruturais com a sinalização da dineína.