카이비

KaiB
카이비
식별자
유기체느네초코커스 엘롱가투스
기호KAIB
엔트레스31251
RefSeq(mRNA)NM_080317
RefSeq(프로토콜)NP_525056
유니프로트P07663
기타자료
염색체X: 2.58 - 2.59Mb

KaiB는 다양한 시아노박테리아 종들의 보존도가 높은 카이ABC 유전자 군집에 위치한 유전자다. KaiA, KaiC와 함께 KaiB는 시아노박테리아 순환기 시계 운영의 중심 역할을 하고 있다. 카이 유전자의 발견은 원핵종에서 최초로 생체내 발진기를 식별한 것이다. 더욱이 시아노박테리아 시계의 특성화는 리듬 생성의 전사에 독립적이며 변환 후 메커니즘의 존재를 증명하여, 순환 리듬성의 전사-번역 피드백 루프 모델의 보편성에 도전하였다.

디스커버리

원핵 세포 리듬

대략 24시간에 해당하는 기간과 함께 생물학적 과정에서 내생적이고 내장이 가능한 진동인 순환 리듬은 한때 진핵생물의 전유물로 여겨졌다. 원핵생물은 세포의 복잡성이 부족하여 지속적이고 온도를 보상하는 시간을 유지할 수 없다고 생각되었다. 또한, 널리 지지되고 있는 "서커스-인프라디안 규칙"은 세포 기능이 24시간 동안 단 한번의 속도로 분열되는 세포의 순환 진동자에만 결합될 수 있다고 규정했다. 하루에도 세포분열을 여러 차례 겪는 경우가 많은 원핵생물들은 이 조건을 충족시키지 못했다.[1]

시간이 흐르면서, 증가하는 증거들이 이 주장에 이의를 제기하기 시작했다. 예를 들어, 시아노박테리아에서 관찰된 광합성 및 질소 고정의 이산 시간적 분리는 순환 제어의 어떤 메커니즘의 존재를 시사했다.[2] 마침내 1986년 탄치황과 동료들은 원핵종에서 순환 리듬을 보여주면서 신네초코커스 시아노박테리아에서 24시간 동안 질소 고정의 견고한 리듬을 발견하고 특징지었다.[3][4][5] 이러한 발견에 따라, 연대기 생물학자들은 시아노박테리아 시계의 작동을 지배하는 분자 메커니즘을 식별하기 시작했다.

시아노박테리아 시계 발견

다카오 곤도, 칼 존슨, 수잔 골든은 유전자 psb에 유전자 발현 리포터인 박테리아 루시퍼아제를 사용했다.시네초코커스 시아노박테리아에서 발견된 이 시계 유전자의 활동을 감시하는 AI. 플라스미드 벡터에 야생형(WT) 유전체 DNA 라이브러리를 탑재한 44시간 장기 시계 돌연변이 C44a를 변형해 정상 25시간의 '구조 클론' 검사를 허용했다. 이 구조된 복제에서 나온 DNA 라이브러리가 원래 현장에서 플라스미드에 들어갔을 때 C44a는 완전히 구조된 것으로 밝혀졌다. 구조를 담당하는 플라스미드의 파편이 서열화되었을 때, 하나의 단일 유전자 군집인 kaiABC는 자연에서 리듬이 있는 것으로 밝혀졌다. 카이ABC는 카이A, 카이B, 카이C의 세 가지 개별 유전자로 구성되어 있다. 짧은 기간, 긴 시간 또는 부정맥을 보이는 50개 이상의 시계 돌연변이의 구조 패턴을 검사한 결과 모든 돌연변이의 WT 표현형 복원이 밝혀졌다. 추가 염기서열 분석 결과 총 19개의 kaiABC 돌연변이가 나타났으며 이 중 14개는 kaiC에서, 3개는 kaiA에서, 2개는 kaiB에서 돌연변이가 발생했다.[6] 돌연변이 표현형들은 모두 앞에서 언급한 유전자 중 하나에 단일 아미노산 치환에 의해 야기된 것으로 카이 단백질이 신네초코쿠스 순환기 시계에서 중요한 역할을 한다고 판단했다.

초기에는 전사-번역 피드백 루프가 순환 리듬을 만들 때 필요하다고 생각되어 kaiABC도 이 기능을 가질 것으로 생각되었다. 그러나 이후 전사 또는 번역억제제를 사용한 kaiBC mRNA 축적 억제가 kaiC 인산화 순환을 방해하지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 따라서 시아노박테리아 시계 리듬성이 전사 및 번역과 무관한 경우다.[7] 또한 kaiABC 유전자 군집 규제에 중요한 KaiC 인산화 자생성 진동을 시험하기 위한 실험도 실시되었다. ATP뿐만 아니라 KaiA, KaiB와 함께 KaiC를 육성함으로써 KaiABC 시계의 온도 보상 측면이 입증되었다. 또한, 생체내 돌연변이인 kaiC에서 볼 수 있는 그러한 순환기간의 체외 변종도 관찰되었다.[8]

진화사

시아노박테리아는 광합성 질소고정 박테리아로 지구상 최초의 생명체 중 하나로 알려져 있으며, 적어도 35억년 전에 출현한 것으로 생각된다(Mya). 그들은 유일하게 알려진 산화 광합성 원핵생물이다.[9] 시아노박테리아는 질소 고정, 세포 분열, 그리고 다른 대사 과정을 조절하기 위해 순환 시계를 사용한다. 대부분의 시아노박테리아 유전자는 대개 특정 기능에 따라 Class I(두스크피크)와 Class II(새우피크) 범주에 속하며, 서커디안 방식으로 표현된다.[10]

시아노박테리아 유전자의 리드미컬한 표현은 카이 오실레이터의 인산화 상태의 진동과 다양한 출력 메커니즘과의 상호작용에 의해 추진된다. kaiA, kaiB, kaiC 등 3개 kai 유전자의 진화는 여전히 활발한 연구 영역으로 남아 있다. 최근의 유전학 증거는 카이 유전자가 순차적으로 나타났다는 것을 암시한다: 거의 3,800 마이아, 3,500-2,3200 마이아 사이 kaiB, 그리고 가장 최근에 1,000 마이아 사이 kaiA. kaiC와 kaiB가 단일 프로모터의 통제 하에 피연산자에 융합된 것은 kaiB가 게놈에 나타난 직후에 일어났다.[9]

세 개의 카이 유전자는 모두 시아노박테리아에서 지속적인 순환 리듬을 위해 독립적으로 필요한 반면, 카이A 유전자는 고차량의 시아노박테리아 그룹에 제한된다. 예를 들어 신클로코커스(Synechococcus)와 프로클로로코커스(Procloroccus) 시아노박테리아(Ciaobacterial genergena)는 밀접한 관계가 있지만, 프로클로로코커스(Proclorococcus) 종에는 kaiA가 없다. kaiA가 부족한 시아노박테리아는 유전자 발현과 세포 주기 진행의 진동을 보여주지만 이러한 리듬은 자생력이 없고 일정한 조건에서 빠르게 사라진다.[11]

카이 유전자가 결핍된 시아노박테리아 종과는 대조적으로, 신네초코커스 계열의 일부 구성원들은 kaiC2, kaiB2, kaiC3, kaiB3로 언급된 kaiB와 kaiB3의 파라로그를 표현한다.[9] 이렇게 확장된 시계 유전자의 기능은 여전히 추측이 가능하지만, 현재 증거는 이러한 파라로그들이 kaiA, kaiB1, kaiC1에 의해 확립된 중심 순환기 리듬을 미세 조정하는데 도움이 된다는 것을 암시한다.[10]

kaiB와 kaiC 유전자의 직교자는 고고학과 프로테오박테리아의 일부 종에서 확인되었다. 횡방향 전이에서 비롯되었을 가능성이 높은, 특히 kaiB와 kaiC가 일치하는 경우, 이러한 직교 중 일부는 기초적인 시간 기록 메커니즘에 잠정적으로 관련되어 있다.[9][12] 다른 것들은 레지오넬라 기흉 산화 반응과 소금 스트레스 반응과 같이 현저하게 다른 세포 과정들에서 역할을 한다.[13]

함수

서커디언 시계에서의 역할

kaiA, kaiB, kaiC 유전자에 의해 암호화된 핵심 시아노박테리아 순환기 발진기는 유전자 발현의 전지구적 패턴을 조절하고 광합성, 세포분열 등 필수적인 세포 과정을 지배한다. KaiC 인산화 및 탈인산화의 주기적 순차 리듬은 생체내와 체외 모두에서 오실레이터의 시간 계측 메커니즘을 구성한다.

KaiC는 고리 모양의 호모헥사머로 조직되어 있다. 각 모노머 성분은 CI 도메인, CII 도메인, B-루프 바인딩 도메인, A-루프로 알려진 C-terminus에서 튀어나온 꼬리 등 4가지 필수 구조 모티브를 포함한다. CI 도메인과 CII 도메인은 KaiC 헥사머에 정렬되어 있기 때문에 이들을 총칭하여 CI와 CII 링이라고 부른다.[14] KaiC는 내인성 자토키나아제와 자인산 활성을 모두 가지고 있으며, 각각 KaiA와 KaiB 결합에 의해 변조될 수 있다. 특히 카이 오실레이터의 CII 링 드라이브 순환 리듬에 있는 잔류물 Ser431 및 Thr432의 인산화 및 탈인산화 작용이 있다.[15]

주관일의 시작에 KaiC 헥사머의 Ser431 및 Thr432 잔여물은 비인산화되며, 구성 단층계의 A-루프 영역이 노출된다. KaiA는 KaiC의 A-loop 도메인과 결합하여 오토키나아제 활동을 촉진한다. 단백질의 인산염은 순서에 따라 순차적으로 발생한다 – Tr432는 먼저 인산염이고, 그 다음이 Ser431이다. Ser431 잔류물의 인산화 작용은 KaiC 헥사머에 상당한 순응적 변화를 일으킨다. 단백질 복합체의 CI와 CII 링이 더 촘촘하게 쌓여 이전에 막혔던 B-루프가 노출된다. B루프는 차례로 KaiB를 영입하고 KaiA와 KaiC에 동시에 묶는다. KaiB 바인딩은 A-루프에서 KaiA를 제거하고, 다시 두 가지 모두 KaiC의 자기인산소화효소 활동을 촉진하고 자기인산화효소 활동을 억제한다. KaiC의 탈인산화는 주관적인 밤에 발생하며, 인산화의 역순으로 진행된다. 스르432는 세르431 이전에 탈인산화된다.[10]

궁극적으로 KaiA와 KaiB 결합에 의해 지배되는 KaiC 인산염의 이러한 순환 리듬은 변화하는 환경 조건에 진입하기 위한 입력 경로와 전사적 사건을 중재하기 위한 출력 경로 양쪽과 상호작용할 수 있는 변환 후 오실레이터를 생성한다.

KaiC 헥사머의 인산화에서 순환 리듬은 시아노박테리알 카이 오실레이터의 시간 계측 메커니즘으로 작용한다. 빨간색으로 음영 처리된 원은 인산염 잔류물을 나타낸다.

Circadian 출력 및 KaiB 접이식 스위칭

카이 오실레이터는 인산염에서 내생적인 리듬을 발생시킬 수 있지만 유전자 발현에 직접적인 영향을 미치지는 않는다. 카이 단백질 중 DNA 결합 도메인을 가진 것은 없다. 대신 히스티딘키나제인 사사와 전사인자인 RPAA로 구성된 2개 성분의 시스템이 KaiC 인산화의 변화를 전사 이벤트에 연결한다.

SasA는 Ser431 잔여물의 인산화 시 KaiC 분자의 노출된 B-루프에 결합할 수 있다. 이 상호작용은 SasA 자동인산화 및 후속 인광트랜스퍼를 RPAA로 유도한다. 인광-RpaA는 어스킹-피킹(Class 1) 유전자의 발현을 활성화하고 새벽피킹(Class 2) 유전자의 발현을 억제한다. 반대로 비인산화 RpaA는 1등급 유전자의 발현을 억제한다. 그 결과 카이 오실레이터와 관련 사사(SasA) 활동에 의해 구동되는 전사 인자의 리듬 인산화 작용은 유전자 발현에 리듬 패턴을 생성한다.[16]

KaiB는 SasA-RpaA 경로의 주요 조정기 역할을 하며, 주기적인 리듬 생성에 기여하고 SasA 및 KaiC와의 상호작용을 용이하게 하는 구조적 적응력을 보여준다. 시아노박테리아로 표현된 KaiB의 대부분은 KaiC와 상호작용을 할 수 없는 비활성 호모테트라머로 존재한다. KaiB 테트라머는 단층 형태의 단백질과 평형을 이루며 존재한다. 그러나 KaiB는 KaiC와 연관되기 위해서는 3차 구조의 급격한 변화를 겪어야 하며, 이른바 지상국 순응(gs-KaiB)에서 KaiC B루프에 결합할 수 있는 접이식 순응(fs-KaiB)으로 전환해야 한다. 현재까지 KaiB는 유일하게 알려진 변성시계 단백질로, 가역성 접이식 전환이 가능한 단백질의 일종이다.[10]

fs-KaiB는 사사의 N-terminus와 매우 흡사한 티오레독신처럼 접힌 접이식으로, KaiC에 대한 키나제의 바인딩을 경쟁적으로 대체한다. 그러나 gs-KaiB에서 fs-KaiB로의 순응 변화는 천천히 일어나며, B-루프가 처음 노출되는 정오부터 해질 때까지 사사가 KaiC와 RPAA의 다운스트림 활성화를 허용한다.[17] 그 결과 낮이 진행되어 해질 무렵에 절정을 이루면서 인광-RpaA가 축적되어 1등급 유전자의 발현에 적절한 타이밍이 증가한다. 더욱이, KaiB 결합의 이 타임래그는 KaiC에서 자인산효소 활성의 시작을 지연시켜 시아노박테리아 발진기의 순환기에 기여한다.

카이 오실레이터의 조절

KaiABC 발진기의 리듬성은 체외에서 재구성할 수 있지만 시계는 체내 다양한 추가 수준의 조절을 받는다. 예를 들어, 리드미컬함을 보존하기 위해 시계 구성요소의 계량비가 유지되어야 한다.[18] 하루 동안 상당한 양의 성적 증명서와 단백질 수준이 진동하는 KAIB와 KaiC는 단일 프로모터의 통제 하에 운영자를 구성하며 폴리시스트로닉 mRNA로 표기된다. 이와는 대조적으로 KaiA의 단백질 수준은 24시간 동안 공정하게 유지된다.[10][19]

또 환경변화에 대응해 카이 발진기의 국면을 전환할 수 있다. 그러나 진핵생물에서 특징지어지는 위상 변화 메커니즘과는 달리, 광섬유화는 시아노박테리아 시계의 인큐베이터에 역할을 하지 않는 것으로 보인다. 대신, 확인된 입력 메커니즘은 시아노박테리움에 의해 수행되는 광합성 반응을 추적하는 생화학적 변화에 의존하며, 주변 광도에 비례하여 비율을 나타내는 반응은 증가한다. 예를 들어, CikA와 LDPA는 세포내 환경의 redox 상태를 감지하고 카이 오실레이터에 대한 변화를 중계한다.[20] 또한 KaiA와 KaiC는 광합성 대사물(특히 퀴논과 ATP)을 직접 검출하고 그에 따라 발진기의 위상을 조절하는 것으로 보인다.[20][21] 현재까지 KaiB는 시아노박테리아 시계를 잠글 수 있는 입력 경로에 관여하지 않았다.

현재 연구

밴더빌트 대학의 칼 존슨 박사의 연구실과 닥터 두 사람 모두. 시카고 대학의 Michael Rust의 연구실은 카이ABC 단지에 초점을 맞춘 연구 노력을 하고 있다. 존슨 연구소는 닥터와 협력하여 Hassane Mchaourab의 연구소는 시아노박테리아 시계가 체외에서 어떻게 진동하는지를 설명하기 위해 생물물리학적 방법을 사용하는 것에 초점을 맞추고 있다. 또한, 그들은 시아노박테리아의 클록 유전자 돌연변이를 이용한 순환 리듬의 적응적 중요성을 발견하기를 희망한다.[22] 러스트 연구소는 첨단 생화학적 현미경이나 수학적 모델링 등의 기술을 조합해 단백질, 신경전달물질, 이온구조의 상호작용이 살아있는 시아노박테리아 세포의 행동을 어떻게 만들어내는지 연구하고 있다.[23]

참조

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