En biología molecular, las proteínas del reloj de las cianobacterias son el principal regulador circadiano de las cianobacterias . Las proteínas del reloj de las cianobacterias comprenden tres proteínas: KaiA , KaiB y KaiC . El complejo kaiABC puede actuar como un promotor - regulador de la transcripción inespecífico que reprime la transcripción , posiblemente actuando sobre el estado de compactación cromosómica . Este complejo se expresa a partir de un operón KaiABC .
Ver también: ritmos circadianos bacterianos
En el complejo, KaiA mejora el estado de fosforilación de kaiC. Por el contrario, la presencia de kaiB en el complejo disminuye el estado de fosforilación de kaiC, lo que sugiere que kaiB actúa antagonizando la interacción entre kaiA y kaiC. La actividad de KaiA activa la expresión de kaiBC, mientras que KaiC la reprime.
También en la familia KaiC se encuentra RadA/Sms, una proteína eubacteriana altamente conservada que comparte similitud de secuencia tanto con la transferasa de cadena RecA como con la proteasa lon . La familia RadA/Sms son probablemente proteasas dependientes de ATP implicadas tanto en la reparación del ADN como en la degradación de proteínas, péptidos y glicopéptidos . Se clasifican como homólogos no peptidasas y peptidasas no asignadas en la familia de peptidasas MEROPS S16 (familia de proteasas lon, clan SJ). RadA/Sms participa en la recombinación y la reparación recombinacional, lo que probablemente implica la estabilización o el procesamiento de moléculas de ADN ramificadas o horquillas de replicación bloqueadas debido a su redundancia genética con RecG y RuvABC. [1]
El pliegue general del monómero KaiA es el de un haz de cuatro hélices , que forma un dímero en la estructura conocida . [2] KaiA funciona como un homodímero . Cada monómero se compone de tres dominios funcionales : el dominio amplificador de amplitud N-terminal , el dominio ajustador de período central y el dominio oscilador de reloj C-terminal . El dominio N-terminal de KaiA, de cianobacterias, actúa como un dominio pseudoreceptor, pero carece del residuo aspartilo conservado necesario para la fosfotransferencia en los reguladores de respuesta. [3] El dominio C-terminal es responsable de la formación de dímeros, se une a KaiC, mejora la fosforilación de KaiC y genera oscilaciones circadianas . [4] La proteína KaiA de Anabaena sp. (cepa PCC 7120) carece del dominio tipo CheY N-terminal.
KaiB adopta un motivo de meandro alfa-beta y resulta ser un dímero o un tetrámero . [2] [5]
KaiC pertenece a una familia más amplia de proteínas ; realiza autofosforilación y actúa como su propio represor transcripcional . Se une al ATP . [6]
Debido a la falta de núcleo en estos organismos, existían dudas sobre si las cianobacterias serían capaces de expresar ritmos circadianos. Kondo et al. fueron los primeros en demostrar definitivamente que las cianobacterias tienen ritmos circadianos. En un experimento de 1993, utilizaron un indicador de luciferasa insertado en Synechococcus sp., genéticamente tratable, que se cultivó en un ciclo de luz y oscuridad de 12:12 para garantizar el "arrastre". Había dos conjuntos de bacterias, de modo que uno estaba en la luz y el otro en la oscuridad durante este período de arrastre. Una vez que las bacterias entraron en la fase estacionaria, se transfirieron a tubos de ensayo mantenidos en luz constante, excepto durante períodos de registro de 5 minutos cada 30 minutos, en los que los tubos se mantuvieron en oscuridad para medir sus niveles de bioluminiscencia . Descubrieron que el nivel de bioluminiscencia oscilaba en un período de casi 24 horas y que los dos grupos oscilaban con fases opuestas. Esto los llevó a concluir que Synechococcus sp. El genoma estaba regulado por un reloj circadiano. (1)
Los osciladores circadianos en eucariotas que se han estudiado funcionan mediante un circuito de retroalimentación negativa en el que las proteínas inhiben su propia transcripción en un ciclo que dura aproximadamente 24 horas. Esto se conoce como oscilador derivado de la transcripción-traducción (TTO). (2) Sin un núcleo, las células procarióticas deben tener un mecanismo diferente para mantener el tiempo circadiano. En 1998, Ishiura et al. determinó que el complejo proteico KaiABC era responsable del circuito de retroalimentación circadiana negativa en Synechococcus al mapear 19 mutantes de reloj con los genes de estas tres proteínas. (3) Un experimento de Nakajima et al., en 2005, pudo demostrar la oscilación circadiana del complejo Synechococcus KaiABC in vitro . Lo hicieron añadiendo KaiA , KaiB , KaiC y ATP en un tubo de ensayo en la proporción aproximada registrada in vivo . Luego midieron los niveles de fosforilación de KaiC y descubrieron que demostraba ritmicidad circadiana durante tres ciclos sin amortiguación. Este ciclo también compensaba la temperatura. También probaron la incubación de la proteína KaiC mutante con KaiA, KaiB y ATP. Descubrieron que el período de fosforilación de KaiC coincidía con el período intrínseco de la cianobacteria con el genoma mutante correspondiente. Estos resultados los llevaron a concluir que la fosforilación de KaiC es la base para la generación del ritmo circadiano en Synechococcus. (2)
Las cianobacterias son los organismos más simples que se han observado que demuestran ritmos circadianos. (2) (3) El carácter primitivo y la simplicidad hacen que el modelo de fosforilación de KaiC sea invaluable para la investigación del ritmo circadiano. Si bien es mucho más simple que los modelos para generadores de ritmo circadiano eucariotas, los principios son en gran medida los mismos. En ambos sistemas, el período circadiano depende de las interacciones entre las proteínas dentro de la célula, y cuando los genes de esas proteínas mutan, el período expresado cambia. (1)(2) Este modelo de generación del ritmo circadiano también tiene implicaciones para el estudio de la “biología evolutiva” circadiana. Dada la simplicidad de las cianobacterias y de este sistema circadiano, puede ser seguro asumir que los osciladores circadianos eucariotas se derivan de un sistema similar al presente en las cianobacterias. (1)