Atomic Structures of Clock Protein Reflecting Ancient Earth's Rotation

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K16061
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 43020:Structural biochemistry-related
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: Furuike Yoshihiko 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 助教 (70757400)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 概日時計 / 概日リズム / 時計タンパク質 / ATP加水分解 / リン酸化

Outline of Final Research Achievements

Cyanobacterial clock protein KaiC measures time by using two chemical reactions, ATP hydrolysis and (de)phosphorylation. Newly identified ten KaiC crystal structures captured the key steps of each chemical reaction. KaiC generates circadian oscillations by regulating the atomic arrangement in active sites, secondary structural transformation, and tertiary and quaternary structures. This mechanism may have already been established in the ancestral KaiC, which is close to the origin of the circadian clock. The mechanism of KaiC revealed in this research project suggested that clock proteins from non-bacterial organisms, which are thought to have complex and diverse functions and structures, may have an unexpectedly simple mechanism.

Free Research Field

構造生物化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

私たちヒトを含む生物は、自転する地球の環境に適応して暮らしています。日周環境変動への適応システムは、社会や生態系のような大規模なものから、細胞や生体分子のような微小なものにまで様々なかたちで存在します。概日時計システムは、全長約10nmのタンパク質の化学反応によって駆動されています。分子内では、原子ひとつひとつや、原子の結合によって構成される構造ユニットの運動が、時間帯に応じて精密制御されていることが明らかになりました。本研究の着眼点、手法、成果および創出された学術概念は、様々な生物の概日時計研究に適用でき、また時間を読み取って自律制御する極小デバイスの開発などに知見を与え得ると考えられます。