Bakteriel døgnrytme

De bakterielle døgnrytmen , ligesom andre døgnrytme er endogene .

For nylig opdaget er de en manifestation af det, vi kalder døgnrytgeur eller biologisk ur eller internt ur .

Biologisk betydning

Koordinering og tidsmæssig optimering af biologiske processer og tilpasning til daglige udsving spiller en vigtig rolle i overlevelsen af ​​de fleste organismer.

Indtil midten af 1980'erne blev det antaget, at kun eukaryote celler havde gavn af en endogen døgnrytme, men cyanobakterier (fotosyntetiske bakterier af phylum Eubacteria ) har siden vist sig at have et rytmesystem. rytme (se nedenfor).
I disse bakterier kan tre nøgleproteiner , hvis strukturer nu er kendt, danne det ækvivalente med et molekylært ur, der styrer eller orkestrerer den globale ekspression af gener, og som kan - selv in vitro (forudsat ATP er tilgængelig) - opføre sig som en "  oscillator  ".
Dette system gør det muligt for disse bakterier bedre at matche de store miljørytmer, der karakteriserer økosystemer udsat for dag / nat-cyklusser.

Definition

For biologen skal en "ægte" døgnrytme (inden for de normale grænser for organismens naturlige miljø) have tre karakteristika:

  1. Osciller med en konstant periodicitet (tæt på 24 timer, men ikke helt 24 timer) under konstante miljøforhold (konstant temperatur, konstant kunstigt lys eller konstant totalt mørke). Hos mennesker og andre arter, der er placeret i lang tid - for eksempel flere titusinder af dage - i en tilstand af sensorisk isolation (det vil sige for eksempel for mennesker: alene, uden kommunikation og uden midler til at kende den time eller den dag, det er), kan man alligevel observere en drift af denne endogene rytme med en periode, der har tendens til at forlænge;
  2. I tilfælde af temperaturvariation justerer en kompensationsmekanisme denne rytme (selv i cyanophyceae-bakterier) på trods af signifikante variationer i metabolismen af ​​cellerne eller individet;
  3. Denne rytme tillader synkronisering med bestemte miljøcyklusser (årstider for eksempel via stimuli såsom variationer i lys , temperatur , længde på dagen og fotoperiode osv.).

Historie om opdagelsen og forståelsen af ​​disse rytmer

Er prokaryoter i stand til cirkadisk rytmicitet? Før midten af ​​1980'erne syntes dette usandsynligt, især fordi det ikke var klart, hvordan en endogen rytme og især en periodisme på 12 eller 24 timer ville være nyttigt for arter, der tilsyneladende var "enkle" og primitive, lige så meget som ideelle forhold er de i stand til at reproducere flere gange om dagen. Med andre ord: "Hvorfor har et internt ur, der angiver en tid og en cyklus, længere end dens livscyklus?" " Dette spørgsmål har egentlig ingen betydning, fordi disse bakterier er encellede og i det væsentlige reproduceres ved simpel opdeling og ikke via seksuel reproduktion .
Faktisk kan en stor bakteriepopulation sammenlignes med et voksende protoplasma , undertiden endda betragtet som en "  superorganisme  "; i denne sammenhæng kan et tidsmæssigt program på 12 eller 24 timer faktisk forbedre tilpasningen af ​​disse bakterier i et rytmisk miljø ved dagvariationer / nat og ændringer i temperatur og lysintensitet. Sidstnævnte er faktisk særligt vigtige for fotosyntetiske bakterier .

I 1985 - 86 , flere forskerhold opdaget i cyanobakterier døgnrytmer kvælstoffiksering , invariant under betingelser med konstant lys eller konstant mørke.
Huang og hans kolleger var de første til at demonstrere i cyanobakterierne Synechococcus sp . RF-1 (bakterier, der lever i ferskvand ) cirkadiske rytmer . I artikler offentliggjort fra 1986 er de tre hovedkarakteristika ved døgnrytme blevet beskrevet i en enkelt organisme. En anden grundlæggende undersøgelse er Sweeney og Borgese. dette hold var også det første til at demonstrere temperaturkompensation af en daglig rytme i den marine cyanobakterie, Synechococcus WH7803.

På det tidspunkt kunne kun to "cirkadiske" gener karakteriseres; den første var ansvarlig for en periode i Drosophila og den anden var ansvarlig for en frekvens i Neurospora crassa . Et andet gen blev identificeret et år senere i fluen, flere år før et første gen blev opdaget i et pattedyr. I 1980'erne kunne det stadig tænkes, at alle livsformer brugte den samme interne urmekanisme, da alle kendte arter bruger ATP til energilagring og DNA til lagring af store mængder energi, en del af genetisk information. Faktisk er det ikke, og evolution synes inden for hver regering at have udviklet forskellige løsninger.

I begyndelsen af ​​1990'erne var der en genetisk modificeret stamme af cyanobacterium Synechococcus elongatus ved at indsætte den i et gen af luciferase . Dette gen gjorde det muligt at følge temporalt og kvantitativt med stor præcision og på en "ikke-invasiv" måde ekspressionen af "rytmegener" (som i dette tilfælde fik cellerne til at "skinne" rytmisk, når de blev udtrykt der) ).

Dette system gjorde det muligt at måle de biologiske rytmer i hele populationer eller isolerede cyanobakterier.

De luminescens rytmer udtrykkes af disse genetisk modificerede S. elongatus bakterier reagerede godt på de tre væsentlige kriterier for døgnrytmer  : den persistens af en 24-timers svingning (under konstante betingelser), temperaturkompensation og en kronbiologiske virkning .

Laboratorieundersøgelsen af ​​forskellige arter af Synechococcus har fastslået, at prokaryote bakterier er i stand til døgnrytme, i modsætning til dogmen, at kun eukaryoter er udstyret med det. Derudover opretholder celler af en stamme af cyanobakterier deres rytme stabilt over flere generationer, selv under konstant svagt lys. Imidlertid mangler stadig overbevisende beviser for eksistensen af lignende og medfødte døgnrytme "programmer" i andre bakterier end cyanobakterier; det er muligt, at kun fotosyntetiske bakterier har udviklet denne færdighed på grund af deres afhængighed (for fotosyntese) af lys. Ikke desto mindre kunne gener, der spiller lignende funktioner, måske eksistere i andre grupper af mikrober og bakterier.

Forholdet til celledeling

På trods af forudsigelige påstande om, at det cirkadiske ur ikke udtrykkes af celler, der duplikeres oftere end én gang i løbet af 24 timer, opretholdes kronikken i cyanobakterier rejst under gode forhold i kulturer, der vokser hurtigt nok til at fordobles hver 5-6 time.
Disse bakterier er endda tilsyneladende i stand til at tage højde for samtidigt og med præcision to synkroniseringsprocesser, der er sat over meget forskellige perioder.

Adaptiv betydning

Et vigtigt spørgsmål var, om dette cirkadiske "endogene kronometer" kan forbedre egnetheden hos organismer, der vokser under naturlige forhold.
Det antages generelt, at cirkadiske ure kan forbedre organismernes evne til at tilpasse sig miljøet ved at forbedre deres evne til at tilpasse sig vigtige miljøfaktorer såsom dag-nat-cyklusser. I virkeligheden syntes der ikke at have været strenge tests for at understøtte denne hypotese (især for denne type organisme).
I 2000'erne forsøgte vi at teste en mulig adaptiv værdi af cyanobakterier forsynet med de mest præcise endogene ure. Et eksperiment bestod af at dyrke en blanding af forskellige stammer af cyanobakterier karakteriseret ved forskellige døgnrytmeegenskaber (nogle udviste stærk rytmicitet og andre arytmicitet, rytmeperioderne varierede også). Denne blanding blev dyrket i et miljø, der tillod konkurrence mellem de forskellige stammer under forskellige miljøforhold.
Ideen var at se, om bakterier med et fungerende døgnur blev begunstiget.
Resultatet var, at stammerne, der havde et funktionelt biologisk ur, effektivt konkurrerede med de "arytmiske" stammer, men kun i miljøer præget af rytmisk belysning (for eksempel kultur tændt i 12 timer og derefter holdt i mørket i 12 timer og så videre).
Omvendt; i et "konstant" miljø (fx kulturmedium opretholdt under uafbrudt kunstigt lys) reproduceres de rytmiske og arytmiske stammer med en sammenlignelig hastighed.

Ligeledes inden for gruppen af ​​stammer, der udviser en kronobiologisk rytme, men med forskellige perioder, fortrængte de, hvis endogene "periode" bedst svarede til perioden med lyscyklussen, de stammer, hvis varighed ikke svarede til dette miljø. Derfor synes stærkt "rytmiske" miljøer som dem, der udsættes for sol- og månecyklusser, evnen til at overleve af cyanobakterier virkelig forbedres, når deres interne ur er aktivt og endnu mere, når deres døgnperiode svarer til cyklusens. miljøet. Dette eksperiment var et af de første, der demonstrerede en selektiv fordel, som en art tildeles af et cirkadisk internt ur, selv for hurtigt voksende organismer, der deler sig mere end en gang om dagen.

I eukaryoter aktiveres 10-20% af generne rytmisk (som vist ved cykliske variationer i mRNA-overflod). Imidlertid kontrolleres en meget højere andel af gener i cyanobakterier af det bakterielle døgnryggeur.

Molekylære mekanismer i det indre ur af cyanobakterier

S. elongatus- bakterier, der er genetisk modificeret ved tilsætning af et luciferase-gen, er blevet brugt til at søge efter mutationer i det eller de gen, der er ansvarlige for det interne ur, hvoraf mange ser ud til at være isoleret. I slutningen af ​​1990'erne gjorde undersøgelsen af ​​mutante stammer det muligt at identificere en gruppe på tre gener, kaldet kaiA, kaiB og kaiC; "Kai" betyder "rotation" eller "talcyklus" på japansk. Disse gener koder for Kaia-, Kaib- og Kaic-proteinerne, som har vist sig at være essentielle for den "interne ur" -funktion af S. elongatus . De udgør hjertet af den bakterielle cirkadiske oscillator.
Der blev ikke fundet nogen signifikant lighed mellem disse kai- gener og ethvert andet gen, der allerede er identificeret i eukaryoter, men der er potentielle homologer i de genomiske sekvenser af andre bakterier (både i eubakterier og i Archaea ).

Det blev først antaget, at den interne urværkmekanisme af cyanobakterier var en transkriptionslignende feedback-loop og translation, hvor urproteinerne selvregulerer aktiviteten af ​​deres egne promotorer via en lignende proces (set fra synspunktet til konceptet) til systemet. ansvarlig for cirkadiske ure i eukaryoter.

Senere foreslog flere klynger af ledetråde, at transkription og translation ikke var nødvendige for, at Kai-proteinernes døgnrytme kunne udtrykkes. Den mest dramatiske anelse er, at de tre oprensede "Kai" -proteiner kan rekonstituere en temperaturkompenseret cirkadisk svingning i et reagensglas.
Den hastighed, der kan observeres, og som kan måles in vitro, er den for tilstanden for phosphorylering af proteinet kaldet KaiC. Dette er det første (og hidtil eneste) eksempel på en in vitro- rekonstruktion af et døgnrydsur.

Visualisering af tandhjulene i det bakterielle indre ur (strukturel biologi af proteiner)

Til dato er det cirkadiske system af cyanobakterier unikt, idet det er det eneste cirkadiske system, hvor den involverede proteinstruktur er kendt og reproducerbar. Strukturerne af hvert af de tre "Kai" -proteiner (hvilket betyder cyklus på japansk) af Synechococcus elongatus blev bestemt ved krystallografisk analyse og analyse af muterede stammer.

Kendskab til disse tredimensionelle strukturer har ikke desto mindre været nyttigt til at belyse den grundlæggende mekanisme for det cyanobakterielle ur og give konkrete modeller for, hvordan de tre Kai-proteiner (A, B og C) kunne interagere og påvirke hinanden.
En strukturel tilgang tillod også, at KaiA / KaiB / KaiC-proteinkomplekset kunne forstås og visualiseres som en funktion af tiden, hvilket muliggjorde sofistikeret matematisk modellering af fosforyleringshastigheden in vitro.
Komponenterne i det indre ur af cyanobakterier og deres interaktioner kan derfor nu visualiseres i fire dimensioner (tre i rummet, den anden repræsenterer tid), som måske også kunne åbne perspektiver for biologiske computere eller en raffineret forståelse af de diskrete forstyrrelser ved kunstig belysning i fænomenet kendt som "lysforurening".

Fremtidige

Siden slutningen af ​​1990'erne har viden om komponenterne i det indre ur af nogle få fotosyntetiske bakteriearter (cyanobakterier) og forståelsen og modelleringen af ​​deres interaktioner forbedret sig meget. I en af ​​de undersøgte bakterier kan disse mekanismer nu visualiseres i fire dimensioner (tre i rummet, den anden repræsenterer tid), hvilket også kunne åbne nye perspektiver, for eksempel:

Noter og referencer

  1. Johnson, CH, SS Golden, M. Ishiura, og T. Kondo (1996) cirkadiske ure i prokaryoter. Muldvarp. Mikrobiol. 21: 5-11.
  2. Huang TC og Grobbelaar N (1995) Det cirkadiske ur i prokaryoten Synechococcus RF-1. Mikrobiologi 141: 535-540.
  3. Lin RF, og Huang, TC (2009) døgnrytmen af Cyanothece RF-1 (Synechococcus RF-1). Kapitel 3 i: Bakterielle cirkadiske programmer, JL Ditty, SR Mackey, CH Johnson, red. (Springer), s. 39-61.
  4. Sweeney BM og Borgese MB (1989) En døgnrytme i celledeling i en prokaryot, cyanobakteriet Synechococcus WH7803. J. Phycol. 25: 183-186.
  5. Kondo, T., Strayer, CA, Kulkarni, RD, Taylor, W., Ishiura, M., Golden, SS, og Johnson, CH (1993). Døgnrytme i prokaryoter: luciferase som reporter af cirkadisk genekspression i cyanobakterier. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90, 5672-5676.
  6. Johnson, CH og Y. Xu (2009) Opdagelsens årti: Hvordan Synechococcus elongatus blev et model cirkadisk system 1990–2000. Kapitel 4 i: Bakterielle cirkadiske programmer, JL Ditty, SR Mackey, CH Johnson, red. (Springer), s. 63-86.
  7. Mihalcescu, I., Hsing, W., og Leibler, S. (2004). Fjedrende cirkadisk oscillator afsløret i individuelle cyanobakterier. Nature 430, 81-85.
  8. Mihalcescu I, Hsing W, Leibler S (2004) Resilient døgnrytmen oscillator afsløret i individuelle cyanobakterier . Nature 430: ( Abstrakt / artikel, på engelsk )
  9. Pittendrigh, CS (1993). Temporal organisation: refleksioner af en darwinistisk urskue. Annu. Rev. Physiol. 55, 17-54.
  10. Mori, T., Binder, B. og Johnson, CH (1996) Circadian gating af celledeling i cyanobakterier vokser med en gennemsnitlig fordoblingstid på mindre end 24 timer. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 10183-10188.
  11. Kondo, T., Mori, T., Lebedeva, NV, Aoki, S., Ishiura, M., og Golden, SS (1997). Døgnrytme i hurtigt opdelte cyanobakterier. Videnskab 275, 224-227.
  12. Mori, T. og Johnson, CH (2001). Uafhængighed af cirkadian timing fra celledeling i cyanobakterier. J Bacteriol. 183, 2439-2444.
  13. Woelfle, MA, Ouyang, Y., Phanvijhitsiri, K. og Johnson, CH (2004). Den adaptive værdi af cirkadiske ure: En eksperimentel vurdering i cyanobakterier. Nuværende Biol. 14, 1481-1486.
  14. Ouyang, Y., Andersson, CR, Kondo T., Golden SS, og Johnson CH (1998). Resonerende cirkadiske ure forbedrer fitness i cyanobakterier. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 8660-8664.
  15. Liu, Y., Tsinoremas, NF, Johnson, CH, Lebedeva, NV, Golden, SS, Ishiura, M., og Kondo, T. (1995). Circadian orkestrering af genekspression i cyanobakterier. Genes Dev. 9, 1469-1478.
  16. Smith, RM og Williams, SB (2006). Døgnrytme i gentranskription formidlet af kromosomkomprimering i cyanobakteriet Synechococcus elongatus. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 8564-8569.
  17. Woelfle, MA, Xu, Y., Qin, X. og Johnson, CH (2007). Døgnrytme med superhelisk status af DNA i cyanobakterier. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 18819-18824.
  18. Kondo, T., NF Tsinoremas, SS Golden, CH Johnson, S. Kutsuna, og M. Ishiura (1994) døgnrytmen ur mutanter af cyanobakterier. Science 266: 1233-1236.
  19. Ishiura et al., 1998
  20. Ishiura, M., Kutsuna, S., Aoki, S., Iwasaki, H., Andersson, CR, Tanabe, A., Golden, SS, Johnson, CH, og Kondo, T. (1998). Ekspression af en genklynge kaiABC som en cirkadisk feedbackproces i cyanobakterier. Science 281, 1519-1523.
  21. Dunlap, JC, Loros, JJ og DeCoursey, PJ (red.) (2004). Kronobiologi: Biologisk tidtagning. Sinauer, Sunderland, MA.
  22. Xu, Y., Mori, T. og Johnson, CH (2003). Cyanobakterielt cirkadisk urværk: roller af KaiA, KaiB og kaiBC-promotoren til regulering af KaiC. EMBO J. 22, 2117-2126.
  23. Nakahira, Y., Katayama, M., Miyashita, H., Kutsuna, S., Iwasaki, H., Oyama, T. og Kondo, T. (2004). Global genundertrykkelse af KaiC som en masterproces i det prokaryote cirkadiske system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 881-885.
  24. Tomita, J., Nakajima, M., Kondo, T. og Iwasaki, H. (2005). Ingen transkriptions-translation feedback i døgnrytme for KaiC-phosphorylering. Videnskab 307, 251-254.
  25. Nakajima, M., Imai, K., Ito, H., Nishiwaki, T., Murayama, Y., Iwasaki, H., Oyama, T. og Kondo, T. (2005). Rekonstitution af cirkadisk svingning af cyanobakteriel KaiC-phosphorylering in vitro. Videnskab 308, 414-415.
  26. Tyson JJ, Chen KC, Novak B (2003) Sniffere, summer, skifter og blinker: dynamik i regulerings- og signalveje i cellen. Curr Opin Cell Biol 15: 221
  27. (i) Rekha Pattanayek, Wang Jimin, Tetsuya Mori, Yao Xu, Hirschie Carl Johnson og Martin Egli , "  Visualisering en døgnrytmen ur Protein krystalstruktur KAIC og Functional Insights  " , Molecular Cell , Vol.  15, nr .  3, 13. august 2004, s.  375-388 ( PMID  15304218 , DOI  10.1016 / j.molcel.2004.07.013 , læs online )
  28. (i) Rekha Pattanayek, Wang Jimin, Tetsuya Mori, Yao Xu, Hirschie Carl Johnson og Martin Egli , "  Erratum: Visualisering af en døgnrytmen ur Protein krystalstruktur KAIC og Functional Insights  " , Molecular Cell , Vol.  15, nr .  5, 10. september 2004, s.  841 ( DOI  10.1016 / j.molcel.2004.08.027 , læs online )
  29. Williams SB, Vakonakis I, Golden SS, Liwang AC (2002) Struktur og funktion fra døgnrytmen ur proteinet Kaia af Synechococcus elongatus: en potentiel klokinput mekanisme. Proc Natl Acad Sci USA 99: 15357-62.
  30. Ye, S., Vakonakis, I., Ioerger, TR, LiWang, AC og Sacchettini JC (2004). Krystalstruktur af cirkadisk urprotein KaiA fra Synechococcus elongatus. J. Biol. Chem. 279, 20511-20518.
  31. Garces RG, Wu N., Gillon W. og Pai EF (2004). Anabaena cirkadiske urproteiner KaiA og KaiB afslører potentielt fælles bindingssted til deres partner KaiC. EMBO J. 23, 1688-1698.
  32. Hitomi, K., Oyama, T., Han, S., Arvai, AS og Getzoff, ED (2005). Tetramerisk arkitektur af det cirkadiske urprotein KaiB. En ny grænseflade til intermolekylære interaktioner og dens indvirkning på døgnrytmen. J. Biol. Chem. 280, 19127-19135.
  33. Pattanayek, R., Wang, J., Mori, T., Xu, Y., Johnson, CH og Egli, M. (2004). Visualisering af et cirkadisk urprotein: krystalstruktur af KaiC og funktionel indsigt. Mol. Celle 15, 375-388.
  34. Xu, Y., Mori, T., Pattanayek, R., Pattanayek, S., Egli, M. og Johnson, CH (2004). Identifikation af vigtige phosphoryleringssteder i det cirkadiske urprotein KaiC ved krystallografiske og mutagenetiske analyser. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 13933-13938.
  35. Nishiwaki, T., Satomi, Y., Nakajima, M., Lee, C., Kiyohara, R., Kageyama, H., Kitayama, Y., Temamoto, M., Yamaguchi, A., Hijikata, A. , Go, M., Iwasaki, H., Takao, T. og Kondo, T. (2004). Rollen for KaiC-phosphorylering i det cirkadiske ursystem af Synechococcus elongatus PCC 7942. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 13927-13932.
  36. Sébastien Clodong, Ulf Dühring, Luiza Kronk, Annegret Wilde, Ilka Axmann, Hanspeter Herzel & Markus Kollmann; Funktion og robusthed af et bakteriedøgnur  ; Molecular Systems Biology 3:90; doi: 10.1038 / msb4100128; online: 13. marts 2007
  37. Vakonakis, I., og Liwang, AC (2004). Struktur af det C-terminale domæne af urproteinet KaiA i kompleks med et KaiC-afledt peptid: implikationer for KaiC-regulering. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101: 10925-10930.
  38. Pattanayek, R., Williams, DR, Pattanayek, S., Xu, Y., Mori, T., Johnson, CH, Stewart, PL, og Egli, M. (2006). Analyse af KaiA-KaiC-proteininteraktioner i det cyanobakterielle cirkadiske ur ved hjælp af hybrid strukturelle metoder. EMBO J. 25, 2017-2028.
  39. Kim YI, Dong G, Carruthers CW Jr, Golden SS, LiWang A (2008) Dag / nat-kontakten i KaiC, en central oscillatorkomponent i det cirkadiske ur af cyanobakterier. Proc Natl Acad Sci USA 105: 12825-30.
  40. Pattanayek, R, Williams, DR, Pattanayek, S, Mori, T, Johnson, CH, Stewart, PL, Egli, M. (2008) Strukturel model af døgnrytmen ur KaiB-KAIC kompleks og mekanisme til modulering af KAIC phosphorylering. EMBO J. 27: 1767-78.
  41. Mori, T., DR Williams, MO Byrne, X. Qin, HS Mchaourab, M. Egli, PL Stewart og CH Johnson (2007) At belyse tickingen af ​​et in vitro Circadian Clockwork. PLoS Biology 5: e93.
  42. Chang, Y., Cohen, S., Phong, C., et al. Døgnrytme. En proteinfoldkontakt forbinder den cirkadiske oscillator til uroutput i cyanobakterier. Videnskab 2015, 349: 324-8.

Se også

Bibliografi

Relaterede artikler