Science：生物鐘為何是二十四小時

　　眾所周知，為了適應地球自轉引起的晝夜改變（尤其是光強和溫度），地球生物會通過生物鐘調控自己的活動。生物鐘周期與地球自轉周期相符，大約是24小時。那么，這個周期到底是怎樣決定并執行下來的呢？

　　日本分子科學研究所 (IMS)的科學家們發現，地球的自轉周期（24小時）銘刻在生物鐘蛋白KaiC的原子結構上。這種蛋白在藍藻中表達，是直徑10 nm的小分子。這項研究于六月二十五日發表在Science雜志上，不僅有助于深入理解生物鐘的基礎機制，還可以幫助人們治療與異常晝夜節律有關的疾病。

　　生物鐘一直是生物學研究的熱點領域，人們已經在許多生物（從細菌到哺乳動物）中闡明了生物鐘與多種疾病的關系，但一直不清楚24小時晝夜節律是如何建立起來的。

　　研究人員用藍藻解決了這個問題。藍藻的生物鐘主要包括三個蛋白（KaiA、KaiB和KaiC）和 ATP。2007年的一項研究表明，KaiC的ATPase活性（介導ATP水解）與生物鐘周期密切相關。這說明，可能是KaiC的功能性結構決定了晝夜節律。

　　已知在KaiA和KaiB存在的情況下，KaiC的ATPase活性表現出節律性的振蕩。而這項研究顯示， 即使不存在KaiA和KaiB，KaiC的ATPase活性依然在振蕩，而且這個振蕩頻率大致為24小時。由此可見，KaiC就是24小時穩定周期的來源。

　　研究人員用高分辨率的晶體學技術分析了KaiC的N端結構域，通過原子結構揭示了KaiC比其他 ATPase慢的原因。“KaiC有一個空間障礙阻止水分子進入理想的ATP水解位點，該障礙錨定在一個多肽異構化（polypeptide isomerization）的結構上，”Dr. Jun Abe解釋道。“這樣ATP水解就涉及了水分子進入和可逆的多肽異構化，比一般ATP水解需要更大量的自由能。正因如此，KaiC的 ATPase活性要慢得多。”

　　這種蛋白質結構介導的反饋機制使KaiC的ATPase活性始終保持低水平，其時間常數就是地球的自轉周期（24小時）。這項研究首次在原子水平上證明，蛋白小分子可以通過結構調控產生24小時節律。“人類和其他復雜生物可能也具有類似的分子機制。在擁擠而嘈雜的細胞內環境中，這是一個很巧妙的計時機制，”Shuji Akiyama教授說。