「時計遺伝子」の版間の差分

概日リズム (circadian rhythm）は約24時間周期の生物リズムであり、自律振動性、同調性、温度補償性という3つの特徴的な性質を有する。時計遺伝子は概日リズム生成の分子メカニズムに関わり、時計遺伝子の変異体では概日リズムの周期変化や概日リズム消失が観察される。哺乳類において、ほとんどの概日リズムは転写リズムによって生み出されており、時計遺伝子の多くは転写関連因子をコードしている。class I bHLH-PAS型転写因子CLOCK(あるいはNPAS2)はclass II bHLH-PAS型転写因子BMAL1とヘテロ二量体を形成し、E-boxと呼ばれるDNAシスエレメントを介してPer1/2やCry1/2遺伝子の転写を活性化する。翻訳されたPER1/2やCRY1/2タンパク質は複合体を形成し、細胞質から核に移行してCLOCK-BMAL1ヘテロ二量体の転写活性化を抑制する。この転写翻訳フィードバックループ (transcription-translation feedback loop, TTFL)が転写リズム生成の基本骨格である。時計遺伝子産物は翻訳後修飾によって制御されており、カゼインキナーゼ1 (CK1、カゼインキナーゼ2 (CK2)、グリコーゲン合成酵素キナーゼ3GSK-、Ca2+/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼII (CaMKII)などのリン酸化酵素が概日リズム生成に関与している。

I.時計遺伝子とは

時計遺伝子は概日リズム生成の分子メカニズム関わる。概日リズムは約24時間周期の生物リズムであり、以下の3つの特徴的な性質を示す<ref name=田澤2009>田澤 仁 (2009).<br>マメから生まれた生物時計―エルヴィン・ビュニングの物語、学会出版センター</ref> (1)。

(iii)その因子を増加(あるいは減少)させると、フィードバックにより、その因子の減少(あるいは増加)が引き起こされる。

(iv)明暗サイクルの位相シフトは、その因子の増減リズムおよび表出リズムの位相シフトを引き起こす。

(v)その因子の増減レベルを一定にすると、表出リズムは消失する。

哺乳類において、大部分の遺伝子発現リズムおよび生理リズムは、主に4種類の因子によって形成される転写翻訳フィードバックループ (transcription-translation feedback loop, TTFL)によって生み出されている<ref name=田澤2009 /><ref name=岡村2004/><ref name=海老原2012 /> (1-3)。4種類の因子とは、1) PERIOD (PER)タンパク質、2) CRYPTOCHROME (CRY)タンパク質、3) class I bHLH-PAS型転写因子、4) class II bHLH-PAS型転写因子である。これらの遺伝子産物は遺伝的冗長性があるものが多く、PERはPer1, Per2およびPer3遺伝子、CRYはCry1およびCry2遺伝子、class I bHLH-PAS型転写因子はClockおよびNpas2遺伝子、class II bHLH-PAS型転写因子はBmal1 およびBmal2遺伝子にコードされている<ref name=田澤2009 /><ref name=岡村2004/><ref name=海老原2012 /> (1-3)。CLOCK(あるいはNPAS2)はBMAL1とヘテロ二量体を形成し、E-boxと呼ばれるDNAシスエレメントを介してPer1/2やCry1/2遺伝子の転写を活性化する。翻訳されたPER1/2やCRY1/2タンパク質は複合体を形成し、細胞質から核に移行してCLOCK-BMAL1の転写活性化を抑制する。その結果、Per1/2やCry1/2遺伝子の発現レベルは概日リズムを示す (図)。これらの4因子による転写翻訳フィードバック機構をコアループと呼ぶ。

Per1/2二重欠損マウス、Cry1/2二重欠損マウス、Clock/Npas2二重欠損マウス、あるいはBmal1欠損マウスは、行動リズムの消失や遺伝子発現リズムの消失が引き起こされる(8-11)。そのため、これら因子は概日性の生理リズムを生成する必須因子である。転写を介したフィードバックループは動物、菌類、植物において遺伝子発現リズムを生成するメカニズムとして共通している。一方、これらの生物系統の間で、概日リズムの生成に関わる転写関連因子の配列相同性は限定的であるため、転写を介したフィードバックループは各生物界で独立に進化したと考えられている<ref name=岡村2004/> (2)。

視交叉上核において主観的夜 (CT16)に発現ピークを示すBmal1などの遺伝子の上流にはRORE配列が存在する<ref name=Ueda2002><pubmed>12152080</pubmed></ref><ref name=Ueda2005><pubmed>15665827</pubmed></ref>(12,13)。RORE配列には転写抑制因子としてREV-ERBおよびREV-ERB、転写活性化因子としてROR, ROR, RORが作用することが報告されている。

(ii)D-boxを介したPer1/2遺伝子の制御

Per1/2遺伝子の上流にはD-boxが存在する。D-boxには転写抑制因子としてE4BP4、転写活性化因子としてDBP, HLF, TEFが結合することが報告されている<ref name=Ueda2005 /><ref name=Mitsui2001><pubmed>11316793</pubmed></ref>(13,14)。

上記のCLOCK-BMAL1による制御に加え、E-boxには転写抑制因子としてDEC1/2が結合することが報告されている<ref name=Ueda2005 /><ref name=Honma2002><pubmed>12397359</pubmed></ref> (13,15)。

転写を介したフィードバックループが概日性の遺伝子発現リズムを生み出す基本骨格であることは広く受け入れられているが<ref name=田澤2009 /><ref name=岡村2004/><ref name=海老原2012 /> (1-3)、動物においてその仕組みが概日性の振動体を構成するか否かに関しては、上記の『II.概日振動体の構成要素』(i)-(v)の基準において、実験的な検証と議論が続いている<ref name=Lakin-Thomas2006><pubmed>16603673</pubmed></ref>(16)。基準(v)に関して、概日リズムに関わる転写関連因子を一定に発現した場合に、表出リズムが消失するか否かの検証実験が報告されている。ショウジョウバエにおいて、per遺伝子を欠損した個体において、per遺伝子を一定に発現させて遺伝子補完を行った場合でも、行動リズムは観察される<ref name=Yang2001><pubmed>11239435</pubmed></ref>(17)。また、哺乳類の細胞においてCRY1/2タンパク質を一定に発現させたり、あるいはラットにおいてPer1 mRNAを一定に発現させても、概日リズムは観察される<ref name=Fan2007><pubmed>17583506</pubmed></ref><ref name=Numano2006><pubmed>16537451</pubmed></ref>(18, 19)。

2011年、ヒト赤血球においてペルオキシレドキシンというタンパク質の酸化還元状態が概日リズムを示すことが報告された<ref name=O'Neill2011><pubmed>21270888</pubmed></ref>(20)。赤血球には核がないため、本報告は転写を介したフィードバックループに依存しない振動機構が存在することを示唆するものであった。その後、Cry1/2欠損やPer1/2欠損、Bmal1欠損マウスにおいても、細胞レベルにおいては遺伝子やタンパク質の発現リズムが観察されることが報告されている<ref name=Ono2013><pubmed>23575670</pubmed></ref><ref name=Maywood2013><pubmed>23690615</pubmed></ref><ref name=Ko2010><pubmed>20967239</pubmed></ref><ref name=Ray2020><pubmed>32054765</pubmed></ref>(21-24)。

V.翻訳後修飾酵素の役割と進化的保存性

ハムスターの行動リズムの短周期化を引き起こすtau変異の原因遺伝子として、カゼインキナーゼ1(CK1)が報告されている<ref name=Lowrey2000><pubmed>10775102</pubmed></ref>(25)。CK1はCK1とともに、概日リズムの周期制御や温度補償性に関わり、CK1の低分子阻害剤は培養細胞における転写リズムの周期を延長する(26)。CK1のin vitroの基質としては、PER2がよく解析されている<ref name=Lowrey2000 /><ref name=Isojima2009><pubmed>19805222</pubmed></ref> (25,26)。 また、CK1によるPER2のリン酸化は、ユビキチンE3リガーゼ -TrCP に認識され、PER2はユビキチン化された後にプロテアソームによって分解される<ref name=田澤2009 /><ref name=岡村2004/><ref name=海老原2012 /> (1-3)。

CRYタンパク質レベルはユビキチンリガーゼFBXL3やFBXL21により制御されている<ref name=Hirano2013><pubmed>23452856</pubmed></ref><ref name=Yoo2013><pubmed>23452855</pubmed></ref>(27,28)。FBXL3の欠損マウスは約28時間の行動リズムを示し、FBXL3とFBXL21の二重欠損マウスは行動リズムが消失する。

Casein Kinase 2 (CK2) はショウジョウバエにおいて、長周期性を示す変異体として同定され<ref name=Lin2002><pubmed>12447397</pubmed></ref>(29)、哺乳類の培養細胞においてもリズム周期や振幅の制御に関わることが報告されている<ref name=Tamaru2009><pubmed>19330005</pubmed></ref><ref name=Tsuchiya2009><pubmed>19491384</pubmed></ref> (30,31)。CK2の基質としては、BMAL1やPER2が報告されている。

Glycogen synthase kinase 3 (GSK3) の活性抑制によりショウジョウバエの行動リズムは長周期化し<ref name=Martinek2001><pubmed>11440719</pubmed></ref>(32)、Gsk3ヘテロ欠損マウスも行動リズムが長周期となる(33)。GSK3の基質としては、PER2やREV-ERBなどが報告されている<ref name=Martinek2001><pubmed>11440719</pubmed></ref><ref name=Lavoie2013><pubmed>23919927</pubmed></ref><ref name=Yin2006><pubmed>16484495</pubmed></ref>(32-34)。

Ca2+/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼII (CaMKII)は哺乳類の細胞において転写リズムの振幅制御および温度補償性に関わり、CaMKIIのキナーゼ活性欠失マウスにおいては行動リズムの長周期化やリズム消失が観察される<ref name=Kon2014><pubmed>24831701</pubmed></ref>(35)。CaMKIIの基質としてはCREBやCLOCKが報告されている<ref name=Kon2014><pubmed>24831701</pubmed></ref><ref name=Yokota2001><pubmed>11299324</pubmed></ref>(35,36)。

転写を介したフィードバックループを構成する転写関連因子は動物界、菌界、植物界で異なるのに対し、CK1やCK2, GSK-3、CaMKIIなどのリン酸化酵素は真核生物で生物界を超えて役割が保存されている<ref name=O'Neill2011><pubmed>21270895</pubmed></ref><ref name=Uehara2019><pubmed>31097584</pubmed></ref><ref name=Mehra2009><pubmed>19450520</pubmed></ref><ref name=Wang2021><pubmed>34182778</pubmed></ref><ref name=Kon2021><pubmed>33931447</pubmed></ref>(37-41)。

原核生物であるシアノバクテリアでは、概日振動体はKaiタンパク質群によって形成される<ref name=岡村2004/><ref name=海老原2012 /> (2,3)。シアノバクテリアは恒暗条件では光合成が抑制されるため転写・翻訳を含めた細胞内の様々な活性が著しく低下するが、このように転写がほとんど起こらない恒暗条件においてもKaiCタンパク質のリン酸化リズムは安定に継続する<ref name=Tomita2005><pubmed>15550625</pubmed></ref>(42)。さらに、精製したKaiA, KaiB およびKaiCタンパク質をATPと共に混合することにより、KaiCタンパク質のリン酸化リズムを試験管内で再構成できることが示されている<ref name=Nakajima2005><pubmed>15831759</pubmed></ref>(43)。