“旋轉(zhuǎn)木馬"上的蛋白質(zhì)：晝夜節(jié)律和生理節(jié)律的連接點

隨著地球自轉(zhuǎn)，陽光灑在迎向地球的那一面，從而形成了晝夜交替節(jié)律。很多生物針對晝夜交替，也不停地調(diào)節(jié)著自身的節(jié)律，從而實現(xiàn)對環(huán)境的zui高的適應(yīng)性。這種大約24小時的節(jié)律性的調(diào)節(jié)，便構(gòu)成了生物鐘。生物鐘的紊亂也被證明了與多種疾病關(guān)聯(lián)。但是這種晝夜節(jié)律如何形成的還是不清楚。
 
如今，有研究（發(fā)表于《Science》）從分子原子層面，掀開了生理節(jié)律機(jī)制神秘面紗的一角?？茖W(xué)家們已經(jīng)證明，地球每天的自轉(zhuǎn)周期（20小時）被“編碼"進(jìn)了KaiC蛋白的原子層面結(jié)構(gòu)。KaiC是藍(lán)藻中的一種蛋白質(zhì)，直徑大小為10nm。該研究對于深入理解有關(guān)生物鐘學(xué)的一個關(guān)鍵性問題：生物鐘的生理節(jié)律是如何決定的？而且該研究對于未來發(fā)展針對生理節(jié)律紊亂的相關(guān)疾病的治療方法提供了理論基礎(chǔ)。
 
通過研究結(jié)構(gòu)簡單的單細(xì)胞生物藍(lán)藻（有時候也被稱為藍(lán)細(xì)菌），可以構(gòu)建起簡單的生物鐘模型。在藍(lán)藻中，通過三種蛋白質(zhì)（KaiA，KaiB和KaiC）以及ATP（三磷酸腺苷，一種細(xì)胞內(nèi)的能量貨幣），可以重建藍(lán)藻生物鐘。早在2007年就有研究表明，KaiC蛋白有ATP水解酶活性，而且這種活性與晝夜周期是緊密相連的。有猜測認(rèn)為，正是因為這種蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了其能夠響應(yīng)晝夜節(jié)律變化，而導(dǎo)致了其活性的變化。深入的研究表明，這個蛋白質(zhì)的酶解活性存在一種漸弱的、周期性的信號，正好是約0.91天。
 
為了了解這種周期性催化活性信號的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，來自日本的這個課題組，用高精度的X光衍射方法解析了KaiC蛋白的N端結(jié)構(gòu)域。該蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)解釋了為什么催化ATP水解的過程如此之慢。首先是，水分子因為空間位阻無法進(jìn)入理想的ATP水解的活性區(qū)域，這個位阻是因為類似“彈簧"的多肽異構(gòu)化引起的。在這種蛋白質(zhì)中，通過可以反轉(zhuǎn)的多肽異構(gòu)化作用，水分子得以進(jìn)入活性中心并完成ATP分子的水解，這個過程中需要比正常ATP水解更多的能量輸入。這樣解釋了，為什么這種蛋白質(zhì)在催化ATP水解的時間尺度非常大，也就是說催化時間很長，比正常ATP水解酶催化時間慢一百到一百萬倍。
 
KaiC蛋白由六個相同的亞基組成，每個亞基都帶有一系列的ATP水解酶結(jié)構(gòu)域。這個蛋白具有不對稱的結(jié)構(gòu)，能夠通過水分子和部分結(jié)構(gòu)的異構(gòu)化，形成一系列的反饋機(jī)制，讓其ATP水解酶活性一直維持在較低的水平。而這些反饋的時間常數(shù)就是大約24小時。蛋白質(zhì)就像乘坐著地球這個大旋轉(zhuǎn)木馬，地球一圈一圈地轉(zhuǎn)著，相應(yīng)地，蛋白質(zhì)活性也是一陣一陣（24小時）變化著，從而將晝夜節(jié)律和細(xì)胞的生理節(jié)律連在了一起。
 
KaiC蛋白可以維持一個長時間尺度的節(jié)律，從而*次從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上證明了，蛋白質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)自身的結(jié)構(gòu)和活性來產(chǎn)生晝夜節(jié)律。而且，在復(fù)雜擁擠的細(xì)胞環(huán)境中，蛋白質(zhì)通過自身結(jié)構(gòu)的變化維持一定的節(jié)律，對我們發(fā)展率、可持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程也有一定的參考價值。
 
正是人體內(nèi)無數(shù)的分子，通過類似的或者其他機(jī)制，維持著正常的生理節(jié)律，對于我們的生理健康和生活習(xí)慣產(chǎn)生著重要影響。這個研究也部分解答了小編多年來苦苦探尋的疑問，那就是為什么自己高中時代，即便沒有鬧鐘，也總是能夠在早自習(xí)開始前的十分鐘左右醒來。