全 文 ：第27卷 第11期
2015年11月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 27, No. 11
Nov., 2015
文章编号：1004-0374(2015)11-1320-08
DOI: 10.13376/j.cbls/2015184
∙ 评述与综述 ∙
收稿日期：2015-06-17
基金项目：国家自然科学基金项目(31070751)；国家
重点基础研究发展计划(“973”项目)(2009CB930704)
*通信作者：E-mail: weichi@iphy.ac.cn
蓝绿菌生物钟调控动力学和机制研究进展
李丛鑫，王鹏业，王渭池*
(中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室-软物质物理重点实验室，北京 100190)
摘　要：生物钟的振荡过程是生命体中典型的非线性动力学现象，它们对细胞基因表达、信号转导以及细
胞的新陈代谢等过程起重要的调控作用。通过对生物钟振荡过程各个调控单元或模块之间动力学和调控机
制的定量分析，有助于更深入、更直观地了解生物钟在时间尺度和空间尺度上如何精确地调控生物体的生
命过程。
关键词：蓝细菌；生物钟；KaiC；磷酸化；网络；动力学
中图分类号：Q945.43；Q949.2 文献标志码：A
Regulatory mechanism and dynamics of cyanobacterial circadian clock
LI Cong-Xin, WANG Peng-Ye, WANG Wei-Chi*
(Key Laboratory of Soft Matter Physics, Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics,
Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
Abstract: Circadian oscillation is a typical nonlinear behaviour in nature. A sustained oscillatory rhythm is
fundamental for gene expression, signal transduction and metabolism in living cells. By quantifying the interactions
among the elements (or modules) of biological clocks, it is certainly helpful for us to understand how precisely the
circadian clocks regulate the life processes in spatiotemporal context.
Key words: cyanobacteria; biological clock; KaiC; phosphorylation; network; dynamics
王渭池，1964年 5月生。1984年毕业于南京大学生物系，获学士学位。
1984年至 1987年在中国医学科学院血液学研究所工作。1990年获南京医科大
学硕士学位。1993年在中国科学院生物物理所获博士学位。1993年至 1995年，
中国科学院过程工程所生化工程国家重点实验室博士后。1995年 11月至 2000
年 1月分别在法国国家农业研究院和旧金山加州大学做访问学者研究工作。
2000年 5月至 2001年 11月任中国科学院过程工程所生化工程国家重点实验室
研究员。2001年 11月至今，任中国科学院物理所软物质物理重点实验室研究员，
博士生导师，主要研究方向为生物物理学和计算生物学。
生命体的振荡现象普遍存在于生物体系的各个
层次，振荡周期小到毫秒量级，大到若干年。这种
生命节律的调控机制与复杂的动力学行为受到了包
括生物学、数学、物理学和化学等诸多领域科学家
的广泛关注 [1-2]。数学物理方法与生物学的结合在
定量研究生命体复杂动力学过程中获得了巨大的成
功，其中最经典的例子莫过于 Hodgkin与 Huxley
对神经动作电位产生机理的里程碑式研究。在非生
李丛鑫，等：蓝绿菌生物钟调控动力学和机制研究进展第11期 1321
命系统中，Belousov和 Zhabotinsky发现了化学反
应的振荡现象，并由 Prigogine等一批科学家通过
总结与演绎提出了“布鲁塞尔子”模型，这无疑为
有机体内时空自组织过程的研究奠定了坚实的非线
性动力学与非平衡统计力学基础。
生物钟的昼夜节律振荡行为，是生命活动最重
要的调控方式之一。蓝细菌是具有生物钟的最简单
原核生物，其生物钟核心的振荡过程可仅由 3种时
钟蛋白 (clock protein)在体外重组产生 [3]。这种不
依赖于基因调控的核心振子机制似乎与传统观点相
悖，对它的研究有助于更深入地了解原核以及真核
生物的生物钟起源和内在的精确调控方式。
1　蓝细菌的生物钟
地球的自转，令众多生物体进化出内在的时钟
机制，即生物钟，并以此来更好地适应每天的环境
变化 [4]。对生物钟机制的研究至少可以追溯到 16
世纪。20世纪中叶，由 Pittendrigh和 Aschoff开创
了现代时间生物学领域的研究，他们定义与建立了
整个生物钟研究的原理与规则 [1-2]。大量研究表明，
真核生物的生物钟核心振荡机制具有相似的“设
计”，主要通过钟蛋白对其自身基因的正负反馈
来产生持续振荡，即转录 -翻译振荡 (transcription-
translation-derived oscillation, TTO)[5-6]。
20世纪 90年代初之前，生物钟仅为真核生物
专有的观点一直被研究人员普遍支持与认同，但是
80年代末的一些实验观测却表明生物钟同样存在于
蓝细菌 (或蓝绿藻 )中 [7]。蓝细菌的祖先作为第一
个光合自养生物出现在距今约 35亿年前，这个突
破性的发现说明生物钟是一种极为古老的调控机
制。首次报道的蓝细菌生物钟行为是 Synechococcus
sp. RF-1菌族在持续光照条件下的固氮循环。目前
所知，蓝细菌生物钟调控着许多生理过程，如光合
作用、氨基酸吸收、糖类合成以及细胞分裂等 [8-9]。
由于具有很多实验技术上的优势，S. elongatus PCC
7942常被用来研究蓝细菌生物钟的调控机制。与多
细胞生物不同，蓝细菌的生物钟及其稳定性几乎完
全是单个细胞特有的性质，而细胞与细胞间的耦合
与相互交流似乎可以忽略不计，这表明蓝细菌的生
物钟起源于细胞内部极其稳定的分子振荡网络 [10]。
2　蓝细菌生物钟核心—Kai振子
与高等生物不同，蓝细菌中约 70%的基因表
达受生物钟的调控。更重要的是，众多基因表达的
时序信号呈现出各种各样的波形、振幅与相位关
系 [11]。以荧光素酶作为报告蛋白，Liu等 [11]观测
了蓝细菌基因组中绝大部分基因表达的生物荧光信
号，并按照波形把这些信号分为 5类。第 1、2、3
类波形近似为光滑对称的类正弦曲线，只是三者的
相位不同，第 1类与第 2类反相，第 3类相位在前
两者之间。第 4类为不对称的“锯齿”状波形。带
有双峰以及呈“阶梯”状的波形被归为第 5类。同
时，这几类信号的相位也有不同的分布。这种多模
式的全基因组调控是蓝细菌昼夜时钟最重要的特征
之一。
Ishiura等 [12]发现了蓝细菌的钟基因簇，它包
含 3种钟基因：kaiA、kaiB与 kaiC，其中 kaiB与
kaiC共用一个启动子。敲除或失活任意一个基因都
会造成基因表达生物钟的彻底消失。因此，这 3个
kai基因都是蓝细菌产生生物钟振荡信号必不可少
的基因 [12-13]。钟蛋白 KaiB与 KaiC在细胞中的含量
呈明显的 ~24 h周期振荡，而 KaiA浓度在昼夜循
环中则相对保持不变。在细胞内，KaiA和 KaiC以
钟依赖性的方式定位聚集于细胞某一端的不连续区
域内，这种极性分布方式在夜间尤甚，而且 KaiA
的定位依赖于 KaiC [14]。按照转录 -翻译振荡的生
物钟核心机制，蓝细菌中有相应的基因调控反馈回
路。Iwasaki等 [15]研究发现，KaiC的过量表达可
以抑制自身基因 kaiBC的表达，KaiA过量表达则
促进 kaiBC启动子的活性。这表明 KaiC与 KaiA分
别作为负反馈与正反馈元件调控 kaiBC的表达。
KaiC与 DNA解旋酶 DnaB以及 RecA同属一个超
家族，虽然 KaiC没有保守的 DNA结合序列，但
KaiC与分岔 DNA (forked DNA)有弱结合能力。不
过 KaiC是否直接结合到 kaiBC启动子附近起调控
作用还尚不清楚。
Nakahira等 [13]研究发现，Kai蛋白的反馈作用
并非只特定作用于其自身的启动子，当 KaiC过量
表达时所有被检验的基因 (>800个 )的表达都受到
抑制；如果把 kaiBC的启动子换成其他物种的启动
子，如 E. coli中可诱导的启动子，基因表达的节律
依然存在，表明 KaiC对几乎所有基因的表达都起
调控作用。他们推测，KaiC很可能周期性地控制
整个染色体拓扑结构的变化，其松散与紧密的状态
调控着基因表达的活性。蓝细菌染色体的拓扑结构
的节律性变化被随后的一系列实验所证实 [16-17]。
2009年，Vijayan等 [18]研究结果表明，染色体的给
定构象唯一对应于一种全基因组的表达模式。
生命科学：生物钟专刊 第27卷1322
对 Kai蛋白反馈回路研究的目的是要寻找基于
转录 -翻译的核心振子，而最终发现了染色体的周
期构型变化，这是非常有意义的发现。蓝细菌生物
钟的核心是什么，它是如何控制染色体的拓扑结构
变化的，对 Kai蛋白，尤其是 KaiC磷酸化的研究
揭开了蓝细菌生物钟核心的神秘面纱。
KaiC的自主磷酸化 (autophosphorylation)对于
生物钟的产生是必不可少的 [19-20]，其磷酸化位点的
突变可破坏体内基因表达的昼夜振荡节律 [19]。KaiC
磷酸化受另两个 Kai蛋白调控，其中 KaiA促进
KaiC的磷酸化 [15,21]，而KaiB则削弱KaiA的作用 [22]。
Tomita等 [23]研究发现，即使在连续黑暗条件下 (蓝
细菌几乎没有基因表达 )，KaiC的磷酸化仍呈现稳
定的 ~24 h周期振荡。这个结果显然有悖于传统的
转录 -翻译振子机制。
出人意料的是，当仅把 KaiA、KaiB、KaiC以
及 ATP在体外混合时，KaiC的磷酸化呈现出持续
的昼夜振荡，并且具有非常好的温度补偿性质 [3]。
这表明蓝细菌生物钟的核心是由 3个 Kai蛋白组成
的，在没有基因调控的情况下仍能保持自身固有的
节律持续振荡。Kai振子是如何产生振荡并如何作
为核心时钟调控蓝绿藻中全局基因表达的，高等生
物的生物钟是否也存在类似调控机制，这些成为越
来越多研究人员感兴趣的问题。
KaiC是蓝细菌生物钟核心的核心，它与 ATP
相互作用形成环形的六聚体 [24]。KaiC单体类似哑
铃形，包含两个相似的区域，即 CI与 CII区域。CI
(N末端 )与 CII (C末端 )都包含 ATP的结合域，其
中 N末端优先结合 ATP [24]。只有 CI的 KaiC突变
体仍可形成六聚体，而只有 CII的突变体却不能，
这表明 N末端为 KaiC六聚化所必需，而 C末端的
结构则相对松散 [25]。KaiC兼具激酶与磷酸酶的活
性，并可以自主磷酸化以及自主去磷酸化 [26]。KaiC
还具有弱 ATP酶活性，并与激酶活性同步。
KaiC六聚体的磷酸化为亚基间磷酸化，发生
在相邻亚基的交界面处 [20,25]。Kitayama等 [27]研究
表明，KaiC六聚体亚基之间的信息交换能增强蓝
细菌昼夜节律的鲁棒性。当没有 KaiA与 KaiB存在
时，KaiC可以进行自主磷酸化与去磷酸化，而其
去磷酸化速率要远大于磷酸化速率，高度磷酸化的
KaiC在 30 h后几乎全部转变为非磷酸化形式并保
持不变 [28]。KaiA以二聚体的形式存在，并结合到
KaiC六聚体形成 KaiAC复合物，来促进 KaiC的自
主磷酸化 [15]。Kageyama等 [28]研究表明，KaiA-KaiC
的结合快而松散，可视为 KaiA在 KaiC六聚体之间
以跳跃模式促进 KaiC的磷酸化，KaiA与 KaiC六
聚体的亲和力与 KaiC的磷酸化状态几乎不相关，
但在连续光照条件下 (LL)，KaiC/KaiA的数量比率
决定了 KaiC的磷酸化振幅大小 [29]。KaiB在溶液中
存在单体、二聚体或四聚体，并且以单体形式与
KaiC结合 [30-32]。2008年，Pattanayek等 [33]研究表明，
KaiBC复合物由 2个 KaiB二聚体与 1个 KaiC六聚
体结合形成。KaiB与 KaiC的结合相对较慢，两者
的结合与解离速率均小于 KaiA-KaiC的相应值 [28]。
KaiB与 KaiC的结合明显地依赖于 KaiC的磷酸化
状态 [28,34]，尤其是 S431的磷酸化水平 [35]。KaiB不
直接影响总体的 KaiC磷酸化与去磷酸化速率，而
在 KaiA-KaiB-KaiC相互作用时削弱 KaiA对 KaiC
磷酸化的促进作用，即 KaiB与 KaiA竞争结合
KaiC [36]以及通过 KaiABC复合物束缚 KaiA的活
性 [28]。KaiABC复合物中包含多个 KaiA与 KaiB的
二聚体，确切的化学计量数现在还不确定。KaiA
和 KaiB在 KaiC六聚体上的数量很可能随 KaiC的
磷酸化状态改变 [28]，因此，给定时间内测量的是多
种 KaiABC复合物成分的平均值，这也对定量分析
其化学计量数造成了困难。
每个 KaiC亚基 (C末端 )有两个进化保守的非
等同磷酸化位点，Ser431与 Thr432 [19-20,34-35]。实验
研究表明，KaiC两个磷酸化位点存在拮抗性；进
一步的数学模型分析发现这种拮抗性产生了一个超
敏感的开关，使得 KaiC的磷酸化振荡在一个较广
泛的浓度范围内保持稳定 [37]。最近的研究认为，第
三个位点 Thr426可能也对磷酸化振荡起调控作用。
在 KaiC的晶体结构中，S431、T432与 ATP的 γ-
磷酸根之间呈一近似的等边三角形，T432比 S431
更接近 ATP的 γ-磷酸根，这预示着 T432有较强的
磷酸化反应活性。进一步研究证实，无论从动态过
程还是稳态水平，T432更容易被磷酸化 [19-20]。在
仅有 KaiA与 KaiC时，KaiC的磷酸化水平可达到
90%以上，其中仅 T432磷酸化的亚基占总 KaiC数
量的 46.6%，仅 S431磷酸化的亚基占 11.9%，双位
点磷酸化的亚基占 33%[19]。这个分布不仅表明了两
个位点的磷酸化难易程度不同，更揭示了它们的磷
酸化过程是相互依赖的 (双位点磷酸化比单 S431
磷酸化亚基比例还多 )。体内的位点突变实验表明，
如果突变 S431 (S431A)，KaiC的磷酸化水平要比
野生型的高 [20]，这说明 S431位点磷酸化对整体
KaiC的磷酸化起抑制作用。最近实验给出一种
李丛鑫，等：蓝绿菌生物钟调控动力学和机制研究进展第11期 1323
KaiC体外磷酸化振荡的顺序 (或有序 )反应机制，
即 KaiC (单体 )先在 T432磷酸化，然后此 T432磷
酸化形式继续在 S431磷酸化形成双位点磷酸化形
式，双位点磷酸化形式的去磷酸也是先 T432后
S431 [34-35]。其中任一位点的突变都会打破这个机制
而造成 KaiC磷酸化振荡的完全缺失 [34-35]。
体外 Kai振子的重组实验及其后续工作确立了
Kai蛋白的核心振子地位。而一个完整的生物钟系
统除了核心还需要输入与输出元件，即外界环境与
生物钟交流进行导引或重置的方式，以及核心时序
信号向下游生命活动传递的信号转导通路。
CikA、LdpA以及 Pex这 3种蛋白质是蓝细菌
生物钟输入系统的关键元件 [38]。任意一种对应基因
的失活都会缩短生物钟周期，这说明输入通路的作
用是放慢生物钟的运转速度 [38]。Arita等 [39]研究表
明，pex基因突变体在 12 h光照 /12 h黑暗的循环
条件下失去了减缓时钟振荡的能力；Pex蛋白具有
典型的 DNA结合域，Pex二聚体优先结合 kaiA基
因的启动子区域。这种结合抑制 kaiA基因的表达，
因为 pex的失活造成 kaiA的表达水平高于野生型 [40]。
缺少 cikA的细胞表现出显著的输入通路的缺失，它
们在整个周期中完全感受不到黑暗刺激，因此，也
无法重置生物钟 [41]。光照的强度变化会改变节律的
周期，失去 ldpA基因的蓝细菌就不能通过感受光
强来调整振荡周期。
生物钟的输出通路可以通过转导与放大核心时
序信号来调控细胞的各种生理过程。蓝细菌中几乎
整个基因组的表达都受生物钟的调控 [11]，这表明其
体内存在着一种内在的全局调控机制。染色体拓扑
结构的变化是全局基因表达所必需的，但是仅有染
色体构型变化是不够的，因为当突变 sasA或 rpaA
基因时，染色体构象的周期振荡仍然存在，但全局
基因表达则受到极大影响 [16]，也就是说 SasA-RpaA
通路是生物钟核心传递信号的通道，而染色体构象
变化是驱动全局基因表达的机器，若没有信号发送
机器本身也无法完全正常工作。转录因子 RpaA受
两个拮抗因子 SasA和 CikA的调控，从而来精确控
制 KaiC的磷酸化节律 [42]。SasA可以直接与 KaiC
六聚体结合，KaiC促进 SasA的自主磷酸化，而
SasA不直接影响 KaiC的磷酸化过程，所以，这是
一条单向信号传输路径 [16]。磷酸化的 SasA会把磷
酸根转移给 RpaA，而 RpaA则会与下游蛋白或
DNA相互作用。SasA-RpaA通路是一条正反馈路径，
因为任意基因的突变都会造成基因表达活性的降
低。 rpaA基因的缺失将导致全局性的蓝细菌基因
表达节律的丧失 [43]。另一种蛋白 LabA是输出通路
中的负反馈元件，它可以传导 KaiC的过量表达对
整个基因组表达的抑制信号 [44]。当缺少 LabA时，
KaiC的过量表达就不能再抑制基因表达，而如果
过量表达 LabA则会减弱整体基因表达活性 [44]。在
蓝细菌的生长过程中，PTR (posttranslational regula-
tion)通路就能充分产生振荡节律，但当缺乏 TTR
(transcriptional-translational feedback regulation)回路
时，单个蓝细菌细胞的振荡节律显得不太稳定，同
时整个生长群体丧失同步性 [45]。最近研究发现，蓝
细菌 kaiABC内源性节律的鲁棒性表达只出现在某
些环境条件下，而在另一些条件下则不然 [46]。目前，
蓝细菌生物钟振荡信号的完整调控途径还没有完全
确定，仍然有很多问题没有解决，如基因表达的多
相位与多波形是如何产生的。但唯一确定的是，调
控途径是多层次的复杂网络结构，振荡过程的鲁棒
性需要多种机制的协同合作。
3　当前Kai振子的理论模型概述
Kai振子的体外持续振荡引起了很多研究者的
关注，由于这个系统非常简单 (相对于高等生物体
内转录 -翻译回路 )而且实验数据丰富，所以，它
是非常理想的理论建模研究的对象。以下是对若干
典型 Kai振子模型的简单介绍与评述。
Emberly和Wingreen [47]提出了体外 KaiC昼夜
磷酸化的第一个定量模型。模型的主要机制为
KaiC六聚体之间在磷酸化相中进行单体交换，在
去磷酸化相中多个完全磷酸化的 KaiC六聚体聚合
成团簇 (cluster)，当 KaiC团簇的磷酸化水平降低到
给定阈值时，团簇即解聚成 KaiC六聚体。这个模
型第一次提出了单体交换机制，模型本身没有显性
描述单体交换的动力学过程，只是通过六聚体由
KaiC单体随机组合来体现，而在随后的实验中则
证实了单体交换的存在；但单体交换发生在去磷酸
化相初始而不是在磷酸化相 [28]。六聚体形成团簇的
假设始终没有在实验中得到证实。
Mehra等 [48]较系统地研究了 3个 Kai蛋白之
间的相互作用，并提出了 KaiC的自催化模型。其
关键假设为两个 KaiC六聚体之间的自催化机制，
即一个磷酸化的 KaiC六聚体 (在 KaiA存在时 )可
以与另一个非磷酸化的 KaiC六聚体碰撞 (或相互
作用 )并使后者磷酸化。模型进一步研究了 KaiA、
KaiB辅助 KaiC磷酸化 -去磷酸化的动力学过程，
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指出 KaiABC复合物的稳定性，尤其影响 KaiC昼
夜磷酸化的周期与振幅。由于总体模型设计为一闭
合环形回路，故而振荡的稳定性稍差，满足稳定振
荡的参数范围较窄。
Kurosawa等 [49]的模型则强调 KaiA与 KaiB多
种状态的反转造成 KaiC的磷酸化振荡。模型假设
KaiA与 KaiB分别具有激活和失活两种状态，激活
的 KaiA促进 KaiC的磷酸化，激活的 KaiB促进
KaiC的去磷酸化。两者激活与失活状态的翻转依
赖于 KaiC的磷酸化程度，磷酸化的 KaiC越多，激
活态的 KaiA越少而激活态的 KaiB越多。模型还将
Kai振子与基因表达相互耦合，给出不同光照条件
下基因表达的动力学行为。事实上，KaiA与 KaiB
的不同状态从未在实验中直接观测到，这样的描述
只能算是一种唯象的假设。
Clodong等 [50]用全局系统优化算法研究了
KaiC六聚体之间的反馈机制，并筛选了最佳的动
力学参数组。为了简化，模型仅考虑 KaiC亚基上
的同一磷酸化位点，从非磷酸化到完全磷酸化只需
6步 (C0→…→ C6)。完全磷酸化的六聚体 C6可以
结合 KaiB形成 KaiBC复合物 (BC6)，并从 BC6开
始去磷酸化直至 BC0，BC0解离 KaiB变为 C0。以
稳定的高振幅振荡为目标，模型利用非线性全局优
化算法搜索了最佳的 C与 BC磷酸化形式之间的正
负反馈模式及其参数范围，结果表明，KaiBC对
KaiC磷酸化过程的负反馈是产生鲁棒性高振幅振
荡的最佳条件。
Mori等 [51]的模型把 KaiC六聚体按照构象与
磷酸化状态大致分为 4种不同状态，其不同构象间
的转化与 KaiC的磷酸化水平相关，同时，在这 4
种状态之间引入单体交换。不同状态的 KaiC对
KaiA或 KaiB的亲和力不同，并且状态之间的单体
交换速率也有差别。此模型等同考虑了 KaiC亚基
上的 3种磷酸化位点 (S431、T432和 T426)，即令
3者磷酸化或去磷酸化反应速率一致。KaiC磷酸化
的同步主要是通过单体交换过程来实现的，如果没
有单体交换，模型就不能产生持续的振荡。此后，
Yoda等 [52]同样基于 KaiC六聚体构象变化与单体
交换提出了相似的模型。
van Zon[53]等提出了 KaiC磷酸化的别构模型。
每个 KaiC六聚体磷酸化形式由于亚基间相互作用
存在两种构象，一种倾向磷酸化，另一种倾向去磷
酸化。别构转化采用了MWC模型 (Monod-Wyman-
Changeux model)的同变模式，磷酸化水平越高，
六聚体则更趋向于去磷酸化构象。模型还假设 KaiA
(或 KaiB)与 KaiC六聚体的亲和力随 KaiC的磷酸
化水平呈非线性变化，如磷酸化越高，KaiA-KaiC
的结合就越弱。这样高度磷酸化的 KaiC减慢反应
速率，等待低磷酸化的 KaiC“追赶”上来，如此
造成系统的同步。模型为了简化只考虑了亚基上同
一类磷酸化位点。
Rust等 [34]和 Teng等 [45]以其实验结果为基础，
提出了一个类平均场式的简单模型。此模型第一次
将两类磷酸化位点 (S431与 T432)非等同对待，4
种 KaiC单体磷酸化形式之间相互转化为有序模式
(先 T432后 S431)。磷酸化 (或去磷酸化 )速率受
KaiA的激活 -失活状态调控，而 KaiA的激活 -失
活状态的转变则仅由 S431位点磷酸化的亚基数量
来控制，其数量越多 KaiA失活速率越快。模型没
有显性考虑 KaiC六聚体的动力学及其与 KaiA和
(或 ) KaiB的相互作用过程，KaiA的激活 -失活仍
是唯象的描述。
在前面的章节中，介绍了 KaiC昼夜磷酸化的
体外重组实验，并评述了一系列 Kai振子的理论模
型，但大多数模型都过于简化了一个非常重要的事
实：S431和 T432位点在 KaiC磷酸化循环中不能
等同对待 [19-20,34-35]。基于 S431与 T432的非等同性，
Li等 [54]提出了一个步进式的 (step-by-step) KaiC
磷酸化网络模型。其中，KaiC六聚体的磷酸化或
去磷酸化被赋予动力学协同性，即反应速率随 KaiC
自身的磷酸化水平 (磷酸化的 S431与 T432位点数
量 )呈非线性的变化。若进一步假设，KaiA与
KaiB可以增强反应协同性，同时增加网络拓扑结
构的复杂性，最终造成 Kai系统精准和稳定的昼夜
振荡。
在决定性模型中，KaiC昼夜磷酸化的时序模
式具有动力学多样性，即不同磷酸化状态的 KaiC
六聚体表现出多种多样的波形、振幅和相位关系 [54]，
这一特性似乎与蓝细菌全基因组表达的时序模式非
常相似 [11]。进一步对模型进行随机性模拟，能够重
现细胞内生物钟的动力学特性。基于这种多样性，
Li等 [54]进一步提出了万花筒式的基因调控模式。
在此模式中，某一 KaiC六聚体磷酸化形式或多个
磷酸化形式的组合可作为独立的振荡信号输出来控
制基因在不同相位的表达。Kai反应网络的鲁棒性
通过两不同相位 Kai系统的混合，以及改变蛋白质
浓度和反应温度得到了充分的检验。进一步分析表
明，KaiB与 KaiC结合的微小变化很可能是造成在
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同步改变 Kai蛋白浓度时，两个独立实验产生相反
结果的原因 [28,34]。另外，通过瞬时扰动KaiA的浓度，
研究 Kai振子的相位响应曲线，这将有助于探究
Kai振子在体内和体内的导引 (entrainment)机制。
此外，Johnson等 [55]还提出了其他的 Kai振子
模型，简介可参考相关文献，在这里不再详述。所
有这些模型共有 3类基本特征：第一类，考虑 KaiC
六聚体之间的偶合或相互作用；第二类，考虑
KaiA或 KaiB的多种活性状态；第三类，考虑
KaiC或 KaiC六聚体自身内部的相互作用。早期模
型的特征基本属于第一类或第二类。单体交换与六
聚体团簇 [47]，KaiC六聚体之间的自催化 [48]与
KaiC六聚体之间的反馈机制 [50]都属于第一类，它
们通过 KaiC六聚体之间的相互耦合实现同步。其
中最成功的是对单体交换的预测，但是至今为止单
体交换对 KaiC磷酸化振荡的作用尚不清楚。Rust
等 [34]和 Phong等 [56]的工作具有第二类特征，其主
要思想是由依赖于 KaiC磷酸化状态的 KaiA或
KaiB活性状态来间接实现 KaiC之间的相互耦合。
随着研究的进一步发展，KaiC六聚体自身的性质，
即多亚基多位点的相互作用开始得到重视，Mori
等 [51]和 Yoda等 [52]的模型是从研究 KaiC六聚体之
间的耦合到探究六聚体自身内在相互作用的过渡，
它们同时考虑了 KaiC单体交换 (六聚体间 )以及构
象变化 (六聚体自身 )。van Zon等 [53]的模型则彻
底抛开了直接的 KaiC六聚体之间的任何耦合而深
入分析六聚体亚基间的相互作用 (第三类特征 )，
并直白地把 KaiA或 KaiB激活 -失活过程演绎为
Kai蛋白之间结合常数随 KaiC磷酸化水平的变化，
而模型只简化考虑了 KaiC的一类磷酸化位点，而
没有强调两种位点的非等同性。事实上，这是大多
数模型共同的简化考虑，即使考虑了多位点 [47,51]，
也是把所有位点等同看待，没有区分位点间反应性
的不同。Rust等 [34,57]则以两个磷酸化位点的非等同
性为基础，但没有考虑 KaiC六聚体的动力学信息
以及 Kai蛋白之间相互作用的显性描述，而是用
唯象的方式来描述 KaiA的激活 -失活来调控 KaiC
的磷酸化过程。蓝细菌生物钟核心蛋白之间相互
作用的定量关系和动力学机制，以及蓝细菌生物
钟对基因组的表达调控模式依然备受关注 [6,45,58]。
[参　考　文　献]
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