文|孤馆深深

编辑|孤馆深深

信号转导系统是所有生命形式的重要组成部分，是生物体与环境之间的信息渠道，信号转导系统的一般组织包括至少三个组件，即传感器（输入）、发射器和效应器（输出），细菌信号转导主要由双组分系统主导，通常通过组氨酸激酶传递信息，而真核信号转导系统以 Ser/Thr/Tyr 蛋白激酶为主。

鉴于古细菌中可识别的信号转导系统相对缺乏，寻找新的，也许是古细菌特异性的信号转导系统是一个重要目标，我们之前对IV型毛发系统和古菌的分析确定了几种KaiC样atp酶（COG0467家族的成员），它们似乎参与了这些系统的调节，这些观察结果促使我们对古细菌中的KaiC家族进行了全面分析，由于与真核重组酶成分Rad55（细菌RecA和古菌RadA的同系物）的高度相似性。

直到最近，古菌中的COG0467家族一直与DNA重组途径有关，其中一种古细菌蛋白，即Sulfolobus solfataricus的SSO2452蛋白，已经在这种情况下进行了实验研究，并且被证明不是活性重组酶，但可以结合单链DNA并抑制RadA的D环形成， 在古菌之外，这个家族中研究最好的蛋白质是蓝藻生物钟ATP酶KaiC，其似乎不参与DNA重组。

蓝藻生物钟系统是一种依赖ATP的翻译后分子振荡器，已在生化，结构和功能上进行了彻底表征，通常，该系统由三种蛋白质组分组成，即KaiA，KaiB和KaiC.KaiA蛋白形成同源二聚体，直接与KaiC的C端ATP酶结构域（CII）相互作用并促进其磷酸化。

在结构上，KaiA是一种具有N末端四螺旋束结构域和C末端OmpR样翼状螺旋-转螺旋（HTH）DNA结合结构域的双结构域蛋白，KaiB具有硫氧还蛋白折叠并与KaiC的N端（CI）结构域相互作用，促进KaiA的解离和KaiC的去磷酸化，蓝藻原绿球菌marinus编码一个最小的昼夜节律系统，缺乏KaiA，但仍然显示出自主振荡器的一些特征。

在恒定光条件下不会持续很长时间，因此系统显然需要重置每个diel周期， 即使所有三种成分都存在，这也并不总是足以重现生物钟的所有典型特性，就像紫色非硫细菌Rhodopseudomonas palustris一样，它在恒定条件下只能很好地保持节律性。

多个输入和输出组件已被证明与蓝藻生物钟系统相互作用，形成一个复杂的互连网络，包括转录调节因子、接收器（REC）结构域和感觉组氨酸激酶，以及光敏氧化还原分子，如醌，一些输入和输出蛋白含有KaiA或KaiB样结构域，并直接与KaiC相互作用。

系统发育分析表明，COG0467家族在RecA ATP酶超家族中形成一个单独的分支，暗示一个不涉及DNA交易的单独功能，据推测，鉴于该家族在古细菌中的广泛传播和主要扩展，与其在细菌中的斑片分布形成鲜明对比，蓝藻生物钟的KaiC成分是由HGT从古菌中获得的，最近，FlaH蛋白（COG2874家族）的结构总是编码在古马子。

已被求解并显示类似于 KaiC 的 C 端域 ，FlaH已被证明形成六聚体并与古菌亚基FlaI，马达ATP酶和在crenarchaea中与FlaX环（相互作用），发现 KaiC 家族 ATP 酶 GvpD 参与卤杆菌特异性气体囊泡的调节，已经研究了几种盐藻KaiC样蛋白在光依赖性基因表达中的潜在参与。

最近，来自超嗜热菌Thermococcus litoralis和Pyrococcus horikoshii的KaiC蛋白被证明能够在30°C和75°C下进行KaiA非依赖性自磷酸化，最后，对一个独特的古细菌特异性未表征蛋白质家族（Pfam数据库中的DUF835，PF05763）的结构分析表明，这些蛋白质是与KaiC最密切相关的失活ATP酶， 目前，至少两个额外的蛋白质家族可以包括在古菌KaiC组中，进化重建表明，来自arCOG01171，arCOG001174和arCOG04148（FlaH）的KaiC样ATP酶可能已经存在于LACA中。

在上述观察结果和古细菌中KaiC ATP酶的非凡多样性的提示下，我们对该蛋白质家族进行了全面的系统发育分析，结果强烈表明，KaiC家族ATP酶及其与失活ATP酶结构域的同系物是古菌信号网络的关键组成部分。

尽管与数据库中的古菌基因组相比，细菌的代表性相当高，但古菌（和蓝藻）蛋白在KaiC家族中占主导地位，这与之前的结论一致，即该家族起源于古菌为KaiC家族成员的非冗余子集，该树包含28个不同的强支撑古菌分支（A1至A28）和6个主要细菌分支（B1至B6）。

细菌序列大多分散在树上，表明从古菌到细菌的HGT频繁发生，结合分支B2和B3的大型，主要是细菌分支对应于生物钟（B3）和KaiC样序列（B2）的蓝藻KaiC成分，包括实验研究的杜鹃假单胞菌和军团菌蛋白质。

强烈支持的（95%）B2分支除了细菌蛋白外，还含有几种古菌蛋白，它们都来自不同的产甲烷菌（分支A5a和A5b），这表明HGT可能从细菌到古细菌，在杜鹃假单胞菌（分支B2）中，已经证明KaiC同系物参与时钟样基因表达，而在军团菌（分支B2）中，这些蛋白质与抗氧化和钠应激抵抗有关，并且似乎不是振荡器的组成部分。

这个分支深深地嵌套在不同的古菌分支中，符合生物钟的祖先成分从古菌转移到细菌，含有两个ATP酶结构域的蛋白质和具有单个ATP酶结构域的蛋白质穿插在树中，表明在古菌中该家族的进化过程中发生了多个基因融合和基因裂变。

活性和失活（由P环结构域的沃克A和B签名基序的破坏确定）ATP酶也穿插在一起，表明多个独立的ATP酶失活，在这里，我们统称为具有失活ATP酶结构域的KaiC同系物的所有组为iKaiC;显然，尽管ATPase活性被废除，iKaiC可以执行其他功能，如下所述。

古菌分支A9由KaiC样蛋白组成，这些蛋白在Euryarchaeota和TACK（Thaumarchaeota，Aigarchaeota，Crenarchaeota，Korarchaeota）超门中都有很好的代表性，因此似乎是祖先（表2).虽然这个分支的支持不是很强，但所有这些蛋白质都属于同一个簇，arCOG01171，并且具有单个ATP酶结构域。

因此两种独立的序列聚类方法给出了相似的结果，同样的考虑也适用于分支A3，它包括具有两个活性ATP酶结构域的KaiC样蛋白，第三个分支（A17）似乎是祖先包括FlaH蛋白，必需的古菌成分。

其余的树枝要么是谱系特异性的，要么只包括少数古菌谱系， 该分析支持先前的结论，即LACA中至少可以代表三个KaiC家族，ATP酶结构域的多个长分支和失活意味着KaiC家族蛋白的频繁亚功能化，特别是在热球菌和热蛋白酶科中，而在酸性深部和古球蛋白中的程度较小，这种进化趋势导致了高度分化的iKaiC蛋白的许多亚家族的出现。

涉及 KaiC 家族的三个最常见的上下文主题是 （i） IV 型毛发系统和其他膜相关复合物，例如信号识别粒子 （SRP） GTP 酶 Ffh 或 FlgN 样鞭毛生物合成/分泌途径伴侣 ，（ii） 通常与细菌中的组氨酸激酶相关的信号转导和感觉蛋白，以及 （iii） 膜转运蛋白。

具体来说，我们可以自信地预测两个祖先KaiC家族的相互作用伙伴，除了FlaH之外，这些伙伴是已知的，预计分支 A9 KaiC 蛋白与来自 arCOG00921（COG1318，GlpR 家族的预测 DNA 结合转录调节因子）的未表征蛋白相互作用，arCOG00921蛋白和来自A9 KaiC分支的蛋白质始终存在于同一基因组中，并且经常相邻，即使在Nanoarchaeum equitans的最小古菌基因组中（分别为NEQ174和NEQ534）。

保留的巧合表明这两种成分都参与相同的重要细胞过程，第三个组成部分也可能与该系统有关，即表征不佳的DUF77家族（pfam01910 / COG0011）的蛋白质，存在于大多数古菌（arCOG04373）中，并且似乎是LACA的后代，来自该家族的蛋白质的结构已被解析。

揭示了铁氧还蛋白折叠，并且已被证明可以形成同型四聚体并结合硫胺素;在Thermotoga中，该蛋白质的基因表达在氧化条件下上调， 有人提出蛋白质参与氧化应激反应机制，arCOG007764（arCOG00921的旁系同源物）与分支A24的KaiC样ATP酶相关，而arCOG04373也与分支A14的KaiC样ATP酶相关，加强了这三个蛋白质家族的功能联系。

具有两个ATP酶结构域的蛋白质，与真正的蓝藻KaiC蛋白最相似，通常与祖先分支A5（图 2B).该家族的一种蛋白质的结构已被解析（PDB代码2p9x），揭示了四螺旋束折叠，使用VAST的结构比较，表明，该蛋白质的最佳匹配是真核死亡结构域（以死亡命名的结构域，意味着其参与细胞凋亡，通常也称为DD）。

其与人RAIDD（含DD的蛋白质）蛋白（PDB代码97O48） ，DD和相关α螺旋适配器结构域是真核信号转导途径的关键组成部分，特别是那些参与程序性细胞死亡（细胞凋亡）的途径。

其中这些结构域通过同型相互作用介导不同组分之间的连接（即，不同的DD相关适配器结构域相互作用），这种关联的例外是来自分支A49的盐细菌特异性分支和大多数甲烷微生物分支A50的双域ATP酶，无法识别出在同一位点编码的小伴侣蛋白，细菌分支B11位于古菌亚树内。

包括分支A1至A1;强烈支持此子树中的多个内部分支 （>1%），提示从古菌到细菌的水平转移，与分支B1相关的大多数kaiC基因位于与双组分系统相关的基因旁边，这表明分支A1的古菌KaiC可以与各自古菌基因组中其他位点编码的类似成分相互作用。

DD样结构域在热球菌类和Thaumarchaeota门的几个成员中特异性扩展，其中一些融合到不同的iKaiC结构域，REC结构域或铁蛋白结构域，进一步将这些蛋白质与KaiC连接起来。

编码DD样结构域蛋白的基因与其他未表征的基因一起存在于几个保守的邻域中，这表明其他成分可能与基于KaiC的信号转导网络相关联，考虑到这些观察结果，我们预测DD样结构域也可以作为KaiC自磷酸化活性的调节剂。

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