日本分子科學研究所(IMS)的科學家們發(fā)現(xiàn)，地球的自轉周期（24小時）銘刻在生物鐘蛋白KaiC的原子結構上。這種蛋白在藍藻中表達，是直徑10nm的小分子。這項研究于6月25日發(fā)表在Science雜志上，不僅有助于深入理解生物鐘的基礎機制，還可以幫助人們治療與異常晝夜節(jié)律有關的疾病。

 

　　生物鐘一直是生物學研究的熱點領域，人們已經在許多生物（從細菌到哺乳動物）中闡明了生物鐘與多種疾病的關系，但一直不清楚24小時晝夜節(jié)律是如何建立起來的。

 

 

　　研究人員用藍藻解決了這個問題。藍藻的生物鐘主要包括三個蛋白（KaiA、KaiB和KaiC）和ATP。2007年的一項研究表明，KaiC的ATPase活性（介導ATP水解）與生物鐘周期密切相關。這說明，可能是KaiC的功能性結構決定了晝夜節(jié)律。

 

　　已知在KaiA和KaiB存在的情況下，KaiC的ATPase活性表現(xiàn)出節(jié)律性的振蕩。而這項研究顯示，即使不存在KaiA和KaiB，KaiC的ATPase活性依然在振蕩，而且這個振蕩頻率大致為24小時。由此可見，KaiC就是24小時穩(wěn)定周期的來源。

 

　　研究人員用高分辨率的晶體學技術分析了KaiC的N端結構域，通過原子結構揭示了KaiC比其他ATPase慢的原因。“KaiC有一個空間障礙阻止水分子進入理想的ATP水解位點，該障礙錨定在一個多肽異構化（polypeptideisomerization）的結構上，”Dr.JunAbe解釋道。“這樣ATP水解就涉及了水分子進入和可逆的多肽異構化，比一般ATP水解需要更大量的自由能。正因如此，KaiC的ATPase活性要慢得多。”

 

　　這種蛋白質結構介導的反饋機制使KaiC的ATPase活性始終保持低水平，其時間常數(shù)就是地球的自轉周期（24小時）。這項研究首次在原子水平上證明，蛋白小分子可以通過結構調控產生24小時節(jié)律。“人類和其他復雜生物可能也具有類似的分子機制。在擁擠而嘈雜的細胞內環(huán)境中，這是一個很巧妙的計時機制，”ShujiAkiyama教授說。