The cyanobacterial circadian clock [Elektronische Ressource] : four different phosphorylated forms of KaiC assure the performance of the core oscillator / Christian Brettschneider. Gutachter: Markus Kollmann ; Hanspeter Herzel ; Mark Byrne

Dipl.-Phys. Christian Brettschneider

Description

The cyanobacterial circadian clockFour different phosphorylated forms of KaiC assurethe performance of the core oscillatorD I SS E R TAT I O Nzur Erlangung des akademischen GradesDr. Rer. Nat.im Fach Biologieeingereicht an derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät IHumboldt-Universität zu BerlinvonDipl.-Phys. Christian BrettschneiderPräsident der Humboldt-Universität zu Berlin:Prof. Dr. Jan-Hendrik OlbertzDekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:Prof. Dr. Andreas HerrmannGutachter:1. Prof. Dr. Markus Kollmann2. Prof. Dr. Hanspeter Herzel3. Prof. Dr. Mark Byrneeingereicht am: 24. 3. 2011Tag der mündlichen Prüfung: 8. 8. 2011largephosphorylatedInBrettschneidertoibothChristianinBiologicaltoactivitiesactivityinofcyanobacteriatwoareKaiCcoordinatedfeedbackbyrobustnessandemandsin-theternalaclock.haveThepropertiesrhycomplexesthmconstraintsofthetheghcyanobacteriumhasSynechococcuscomplexes,elongatusserinePCCKaiC7942theoriginatestwofromthethecomplexeskaimodegenewhichclusterKaiA.andbyitsmasscorrespondingKaiAproteins.andInanalyzingaimportanttestthetube,tothedephosphorylationproteinshKaiA,nonKaiBfeedbackandidentified.KaiCfromformarecomplexesthofThevtaritionouschangesstoichiometryproteinandinclusionthebindingaverageaiAphosphorylationmodel.

Sujets

• Biologie

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• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: English
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Extrait

The cyanobacterial circadian clock
Four different phosphorylated forms of KaiC assure
the performance of the core oscillator
D I SS E R TAT I O N
zur Erlangung des akademischen Grades
Dr. Rer. Nat.
im Fach Biologie
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Phys. Christian Brettschneider
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Jan-Hendrik Olbertz
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter:
1. Prof. Dr. Markus Kollmann
2. Prof. Dr. Hanspeter Herzel
3. Prof. Dr. Mark Byrne
eingereicht am: 24. 3. 2011
Tag der mündlichen Prüfung: 8. 8. 2011Abstract
orderBrettschneiderKiatChristianfractionKaiCBiologicalearactivitiesconcertedinofcyanobacterianativearemostcoordinatedabyoriginatesanofin-anternalformationclock.KaiCThebeenrhyofthmbyoffortheKaiB-inducedcyanobacteriumlySynechococcusbeenelongatuswhichPCCresidue.7942phosphoryla-originatestotalfromKaiCthemathematicalkaienhancinggenelclusterconstantlyandTheseitsthecorrespondingdingproteins.toInKaiBCathetestexperimentaltube,model.thereproduceproteinsofKaiA,iKaiB-landloopKaiCThisformKaiBCcomplexesexclusivelyofevobservedariheouslevelstoichiometryofandconcentrationstheofaveragesitesphosphorylationinlevelBesidesofKaiACKaiCautophosphorylationexhibitstherobustforcircadisite,anaoscillationsfreeinpredictionstheedpresencemethodofspectrometry,ATP.propertiesTheKaiAcharacteristicbothcycleandofcomplexesindividualanalyzingKaiCtwoproteinsimportantisconstraintsdeterminedthebyInptohtheospdephosphorylationhKaiCorylationhofghserinenon431inandfeedbackthreoninehas432.identified.DifferentlyfeedbackphosphorylatedfromKaiCcomplexes,synchronizeareduephosphorylatedtothanserineinteractionThewithrobustnessKaiAtandKaiCKaiB.tionHowever,tothechangesdetailstheofproteinthisdemandsinteractioninclusionaretwounknown.bindingHere,toIaiAquantitativelytheinvestigatemodel.thetheexperimentallyofobservedcomplexescharacteristicthephospho-activityrylationKaiC,cyclemodeofaccountstheaKaiABCbindingclockworkwhichusingsequestratesmlargeathofeKaiA.maticaltheoreticalmhaveod-confirmeling.byInoveltherebyofpredictmassthebinKaiCiiswhichstateswas(phaseappliedsinduskcollaborationensatingwiththatthethHeckthatlaboratory.theTheimportancemathematicaoflleadsmodelsilicoelucidatesondthessmechanismsustainedbybenefit.whichfourtheoptimizedcircadiantoclockthissatisfiesfourthreeassuredefiningthreeprinciples.perturbations,First,phasetheAnhighlyanalysisnon-lineexistingarresiduefeedbacknotloopyassuresexistenceabutrapievolution-danalysisanddistributionpunctualaswitchKaiCtoorderdephosphorylationswhdistinguishidawn.chemphasizesisthessentialsforKaiC,aoutstandingprecisecorepe-compriodphaseofwhichapproximatelyto24shiftshentrainment).(freine-runningevolutionrhythm).showsSecond,thethesec-dissociationphosphorylatableofoftheisproteinnececomplexesarincreasesforwitheincreasingoftemperatures.oscillationsTheseprovideperturbationsaninducearyopposingThephasedemonstratesshifts,thewhichofexphosphorylactlytedcompensateofduringisoneinperiodfor(temperatureorganicom-mpensation).uniquelyThird,betweenaandshiftedConsequently,externalthesisrhythmtheofofloweandphosphorylatedhightatetemperatureofaffectswhichonlytheaperformanceparttheofoscillator.theZusammenfassung
PhosphorylierteBrettschneiderProteineniiidassChristiandiedreier,CyanobakterienAktivit?tz?hlundehabennEbenezukaiB,denTranskription?ltestenderLebegekoppeltwesenLaborsaufbildenderetabliert,Er-zirkadianende.IhreDiesebeieinanderliegenden,Bakterien,ih-auchR?ckkBlaualgenkaiCgezirkadiannannt,letztentrugenei-wesentlichderzurExperimentSauerstoffanreicherungOszillationenderundErdePCCbei,alsdainsieteneineaufausgepr?gtewordenF?higkeitUhrzurderPhotosynthese(besitzen.)Derdazugeh?rigenproduzierte?benSauer-aufstoffkaiBderwodurchPhotosynthesekaiBChemzilliert.mtExperimentejedochhateineTranskriptions-Translations-OszillatorweitereweiterenAktivit?tsvonvonCyanobakterien,abh?ngt.diesStickstofffixierung.konstruiertUmnurdieKaiB,HemmungDiezuverschiede-vermeid7942en,sichwerdenModellorganismusdieseweilAktivit?tenihnenzeitlichers-getrenntbakteriellenundOszillationenoptimalmolekularerdementdecktt?glichensind.Hell-Duzirkadianenkentspringtel-RhaufythmusDNSangepasst.GeneEinkaiA,evolution?rerkaiCVorteilundwirdrererzielt,Proteine.wennKaiC-ProteinedereineOrganismusopplungdiesendieRhythmusvonantizipundiertaus,unddiesichdesdarauf-Promotorsvorbereitet.os-AusEinesdiesemwichtigstenGrundderhabenJahreCyanobakteriengezeigt,einedieserinneremitUhrnemeOszillatorntwickelt,iderent,RhythmusnichtzirkadianTranskriptionist,TranslationzirkaDasdiemdebedeutetKondoungef?hrre-einzirkadianeTag.mitCyanobakteriendreiderKaiA,SpeKaiCzATP.ieProteinesKomplexeSynechococcuselongatussivgleichernerwodurchStoichiometrie,vondieexperimentellendurchschnittlichetemsPhosphorylierungKomplexedesKernoszillatorsProteinsPhosphorylierungszyklusKaiCModellzeigttestabilewennOszillationenBedingungmiteinemeinerlzirkadianenvorliegendenPeriode.SimulationDaUmeinerf?llen,EntferneEigenschaftenntreffe.vondieeinemKaiC-PhosphorylierungderdrProteinriiertedaszumKaiCVerlustdederKaiCOszillationenvomf?hrt,simulierewirdtedieserLabors.Post-Translations-OszillatordenauchUhralswichtigs-Kernoszillatorbenbedingungenbezeichnet.dasDeriPhosphorylierungszyklusKaiCvonwichtigeKaiCewirdistbestimmtdesdurchegeben.fortlaufendesichPhGesamtkonzentrationenospProteinehvorylierungUmunderf?llen,DephosphorylierungzweianKaiAzweiZus?tzlichPositionenKompdesdieProteunterst?tzt,ins,gr??tendenKaiAAminos?urenhosphorylierungszu-Serinund431dieundExperimen-Threo-deninO'Shea432.DieDiereproduziertPhaseKaiCdesderKernoszillatorsquantitativ.kanndieantenderNeVerteilungzudermussviertheoretischePhosphorylierungszust?ndezwe(nicht-,molekulareserin-,vonthreonin-ber?cksichtigen,undichdoppeltphosphoryliert)VorhersagenabgelesenDiewerden.rsKaiCNebenbedingungwechselwirktdurchmitRobustheitKaiASys-undgKaiB,Diedamit?ndertverschiedennicht,phosphoryliertedieKaiCdersynchro-einisiereninundWeisedieaUhrwerden.?berdiesemehrerezuTagemusskonstanteModellOszillationenverschiedenartigezeigt.vonDieundDetailsber?cksichtigen.dieserzuWechselwirkungKaiACsindlex,jedochrunbekannt.AutophosphorylierungInKaiCdiesermussDissertationdenerstelleTeiichvoneinunabh?ngigmathematischesPModelldesdieChristianFreilaufBrettschneiderdefi-vdesstandBindestellesequestrieren.Phosphorylierungs-Diesekonstantenzweiterealisiert,BDieindestelleModeistKernoszil-meinetersteFreilauftheoretischeLichtver-Vorhersage.BedingungenDietigezweiteProteinkomplexeNebenbedingungsowohlistnichtlinearedurchesdaszirkadianen?bergangsverhaltenn.nachKaiCHinzugabezwischenvontors.KaiBzirkadianegegeben.gen,KaiBZweitensinduziertdleine(Temperaturkompensation).DephosphorylierungDissoziationskonstantenvonoKaerlaubt,iCun-,trendiezweiteabh?n-auchgigDasvomlPhosphorylierungsniveaudieist.PrinzipienEinf?rUmschaltenzuzwischensichernphosphoylierendemDephosphorylierungsratenundeindephosphorylierendemsKaiCPhasenistOszdeshalbienurdassinauchbestimmtenuZeitfensternallemm?glich.weiterlaufenUmdiediezugemessenenchenZeitfensterteninBedingungderemSimulationneuar-zuMethreprodde,ueszieintakteren,zupostulieretersuchen.ichSpekimbest?tigenModell,diedassKaiAC-sechsfachalsSedierinR?ckkopplung.phosphoryliertemathematischeKaiBClKomperlaubtlau?erdem,edreixenierendenKaiAvoninaktivieren.UhrenDiesedenhochgradiglatornierkl?rechtErstenslinekonstanteareundR?ckkopplungvonistundmeinep?nkzweitelichetheoretischeUmschaltenVorhersage.beidenDiedenbeidendesVorhersagenilla-werdenDanschlie?endserexperimentellbewirkt,?berpr?ft.dieHierf?rUhrwerdenunteraufgereinigteBedingKai-ProteinenmitvorATPgleichbleibendengemischt.h?ltnissen,Probenkann.anmussausgew?PeriodendauerhOszillatorsltenunterschieZeitpunkteniwerden?u?erenmiterhal-derbleibennativenDieseMassenspektrometriewirduntersucht.indDiesetemperaturabh?ngigeisteinebringtviviervonweistKaiACeineundumKaiBCwichtigeKomplexenCyanobakterienPhasenverschiebungenAminos?ureerzeu-dergen,zudiediesesichUhrgegenseitigderkompensieren.zeigt,Drittensphos-mussevolution?rendiediePhaseoptimiertdesdieOszDasihin,ldielatorsgr??esichundddieemUhrTagesrhythmusEvolutionsanalyseanpassendassk?nnen.zweiteDiesephorylierbareAnpassungeinenfolgtVorteilausundeinemVerteilung?u?erenPhosphorylierungszust?ndeWarm-Kalt-Rhythmus,ist,dereindeutigdieZeitdreibestimmen.temperaturabh?ngigeErgebnisndaraufPhasenverschiebungendassnurVerteilungzumphysiologischTeilAusgangs-einschaltetderundistdamitdiediePhosphorylierungszust?ndeKompensationFunktionenverhindert.zirkadianenEinevoninsichern.silicoContents
1 Introduction 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 serves as a model organism for
bacterial circadian clocks . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Biochemical properties determine the phase of the
core clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Models of the oscillator illustrate the mechanism of
the core clock . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Questions that will be adressed . . . . . . . . . . . 20
2 Methodology 23
2.1 Determination of a dynamic invariant oscillator . . 23
2.1.1 Transition rates . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2 Thetransitionmatrixdependsonrelativepro-
tein concentrations . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3 Inactivation of KaiA . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.4 Separation of time scales in the case of multi-
linear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Native mass spectrometry . . . . . . . . . . . . . . 29
3 Determination of the core oscillator mechanism 33
inelongatusvitroSynechococcusvitroviiin3.1 A four state model describes the phosphorylation
dynamics of KaiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 An enhanced model fulfills the experimental con-
straints . . . . . . . . . . . . . . . . . . .