Abstract Organisms from all kingdoms of life have evolved diverse mechanisms to address the predictable environmental changes resulting from the Earth’s rotation. The circadian clock of cyanobacteria is a particularly simple and elegant example of a biological timing mechanism for predicting daily changes in the light environment. The three proteins KaiA, KaiB, and KaiC constitute the central timing mechanism that drives circadian oscillations in the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942. In addition to the standard oscillator, Synechocystis sp. PCC 6803, another model organism for cyanobacterial research, harbors several divergent clock homologs. Here, we describe a potential new chimeric KaiA homolog that we named KaiA3. At the N-terminus, KaiA3 is similar to the NarL-type response regulator receiver domain. However, its similarity to canonical NarL transcription factors drastically decreases in the C-terminal domain, which resembles the circadian clock protein, KaiA. In line with this, we detected KaiA3-mediated stimulation of KaiC3 phosphorylation. Phosphorylation of KaiC3 was rhythmic over 48 h in vitro in the presence of KaiA3 and KaiB3 as well as in Synechocystis cells under free-running conditions after light/dark entrainment. This results in the presence of two different oscillators in a single-celled prokaryotic organism. Deletion of the kaiA3 gene leads to KaiC3 dephosphorylation and results in growth defects during mixotrophic growth and in the dark. In summary, we suggest that KaiA3 is a nonstandard KaiA homolog, thereby extending the KaiB3-KaiC3 system in Cyanobacteria and potentially other prokaryotes.

Cyanobacteria form a heterogeneous bacterial group with diverse lifestyles, acclimation strategies and differences in the presence of circadian clock proteins. In Synechococcus elongatus PCC 7942, a unique posttranslational KaiABC oscillator drives circadian rhythms. ATPase activity of KaiC correlates with the period of the clock and mediates temperature compensation. Synechocystis sp. PCC 6803 expresses additional Kai proteins, of which KaiB3 and KaiC3 proteins were suggested to fine-tune the standard KaiAB1C1 oscillator. In the present study, we therefore characterized the enzymatic activity of KaiC3 as a representative of non-standard KaiC homologs in vitro. KaiC3 displayed ATPase activity, which were lower compared to the Synechococcus elongatus PCC 7942 KaiC protein. ATP hydrolysis was temperature-dependent. Hence, KaiC3 is missing a defining feature of the model cyanobacterial circadian oscillator. Yeast two-hybrid analysis showed that KaiC3 interacts with KaiB3, KaiC1 and KaiB1. Further, KaiB3 and KaiB1 reduced in vitro ATP hydrolysis by KaiC3. Spot assays showed that chemoheterotrophic growth in constant darkness is completely abolished after deletion of ΔkaiAB1C1 and reduced in the absence of kaiC3 . We therefore suggest a role for adaptation to darkness for KaiC3 as well as a crosstalk between the KaiC1 and KaiC3 based systems.

Abstract The putative circadian clock system of the facultative heterotrophic cyanobacterial strain Synechocystis sp. PCC 6803 comprises the following three Kai-based systems: a KaiABC-based potential oscillator that is linked to the SasA-RpaA two-component output pathway and two additional KaiBC systems without a cognate KaiA component. Mutants lacking the genes encoding the KaiAB1C1 components or the response regulator RpaA show reduced growth in light/dark cycles and do not show heterotrophic growth in the dark. In the present study, the effect of these mutations on central metabolism was analyzed by targeted and nontargeted metabolite profiling. The strongest metabolic changes were observed in the dark in Δ rpaA and, to a lesser extent, in the Δ kaiAB1C1 mutant. These observations included the overaccumulation of 2-phosphoglycolate, which correlated with the overaccumulation of the RbcL subunit in the mutants, and taken together, these data suggest enhanced RubisCO activity in the dark. The imbalanced carbon metabolism in the Δ rpaA mutant extended to the pyruvate family of amino acids, which showed increased accumulation in the dark. Hence, the deletion of the response regulator rpaA had a more pronounced effect on metabolism than the deletion of the kai genes. The larger impact of the rpaA mutation is in agreement with previous transcriptomic analyses and likely relates to a KaiAB1C1-independent function as a transcription factor. Collectively, our data demonstrate an important role of homologs of clock proteins in Synechocystis for balanced carbon and nitrogen metabolism during light-to-dark transitions.