Des horloges primordiales aux oscillateurs circadiens

Nature volume 616, pages 183-189 (2023)Citer cet article

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Les rythmes circadiens jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus biologiques, et seules trois protéines procaryotes sont nécessaires pour constituer un véritable oscillateur circadien post-traductionnel1. L'histoire évolutive des trois protéines Kai indique que KaiC est le membre le plus ancien et un composant central de l'horloge2. Les ajouts ultérieurs de KaiB et KaiA régulent l'état de phosphorylation de KaiC pour la synchronisation temporelle. Le système canonique KaiABC chez les cyanobactéries est bien compris, mais on sait peu de choses sur les systèmes plus anciens qui ne possèdent que KaiBC. Cependant, selon certaines informations, ils pourraient présenter un mécanisme de chronométrage de base, semblable à un sablier7,8,9. Nous étudions ici l'horloge circadienne primordiale de Rhodobacter sphaeroides, qui ne contient que KaiBC, afin d'élucider son fonctionnement interne malgré l'absence de KaiA. En utilisant une combinaison de cristallographie aux rayons X et de microscopie électronique cryogénique, nous trouvons un nouveau pli dodécamère pour KaiC, dans lequel deux hexamères sont maintenus ensemble par un faisceau de 12 hélices enroulées. Cette interaction est formée par l'extension carboxy-terminale de KaiC et sert d'ancien fragment régulateur qui sera ensuite remplacé par KaiA. Un décalage de registre en bobine entre les conformations diurnes et nocturnes est connecté aux sites de phosphorylation via un réseau allostérique à longue portée qui s'étend sur plus de 140 Å. Nos données cinétiques identifient la différence dans le rapport ATP/ADP entre le jour et la nuit comme étant le signal environnemental qui pilote l'horloge. Ils révèlent également des détails mécanistiques qui mettent en lumière l’évolution des oscillateurs autonomes.

Les horloges circadiennes sont des oscillateurs biologiques autonomes que l’on trouve partout dans les organismes procaryotes et eucaryotes. Chez les eucaryotes, ces systèmes sont complexes et très sophistiqués, alors que chez les procaryotes, le mécanisme central est régulé par un oscillateur post-traductionnel qui peut être reconstitué in vitro avec de l'ATP et trois protéines (codées par kaiA, kaiB et kaiC)1. Des travaux fondateurs sur le système KaiABC ont abouti à une compréhension globale de son horloge circadienne. KaiC est le composant central qui s'autophosphoryle en se liant à KaiA et s'autodéphosphoryle après association avec KaiB3,4,5,6. Il a été démontré in vitro que l'interaction entre ces trois protéines constitue un véritable oscillateur circadien caractérisé par la persistance, la réinitialisation et la compensation de température. Par conséquent, le système KaiABC est considéré comme la mise en œuvre élégante et la plus simple d’un rythme circadien. L’histoire évolutive des gènes kai a établi kaiC comme le membre le plus ancien remontant à environ 3,5 milliards d’années. Les ajouts ultérieurs de kaiB et plus récemment de kaiA ont formé respectivement les clusters kaiBC et kaiABC existants2,10. Notamment, certaines études sur des organismes plus primitifs dépourvus de kaiA ont laissé entendre que les systèmes basés sur kaiBC pourraient déjà fournir un mécanisme de base de chronométrage semblable à un sablier7,8,9. Contrairement aux oscillateurs autonomes trouvés chez les cyanobactéries, une telle minuterie nécessite un signal environnemental pour faire fonctionner l’horloge et pour faire tourner quotidiennement le sablier. Le rôle central des rythmes circadiens dans de nombreux processus biologiques, contrôlés par le cycle jour et nuit sur Terre, fait de leur évolution un sujet fascinant.

Nous étudions ici une telle horloge circadienne primitive à travers des études biochimiques et structurelles du système KaiBC de la protéobactérie photosynthétique violette sans soufre R. sphaeroides KD131 (ci-après, ses composants sont appelés KaiBRS et KaiCRS). L'organisme présente des rythmes soutenus d'expression génique in vivo, mais la question de savoir si kaiBC est responsable de cette observation reste peu concluante en l'absence d'inactivation de kaiC11. Une étude antérieure de la bactérie étroitement apparentée Rhodopseudomonas palustris, utilisant une souche knock-out, a démontré un lien de causalité entre le rythme proto-circadien de la fixation de l'azote et l'expression du gène kaiC9. Ici, grâce à des expériences in vitro, nous découvrons que KaiBCRS est une horloge circadienne primordiale avec un mécanisme différent de l'oscillateur circadien largement étudié chez Synechococcus elongatus PCC 7942 (ci-après, ses composants sont appelés KaiASE, KaiBSE et KaiCSE)3,4 ,5,6. Nous identifions un signal environnemental qui régule l'état de phosphorylation et produit par conséquent une horloge de 24 heures in vivo en tant que commutation du rapport ATP/ADP entre le jour et la nuit. Nos résultats d'études cinétiques combinées aux structures de microscopie électronique à rayons X et cryogénique (cryo-EM) des états concernés révèlent une voie allostérique à longue portée qui est cruciale pour le fonctionnement du sablier et met en lumière l'évolution de l'auto-entretien. oscillateurs. Notamment, nous trouvons un nouveau repliement protéique pour KaiCRS et découvrons un changement de registre dans le domaine de la bobine enroulée qui s'étend sur environ 115 Å en tant que régulateur clé de ce système, ce qui présente des similitudes structurelles avec la signalisation de la dynéine12.