| Project/Area Number |
21K18231
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science |
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Principal Investigator |
吉種 光 公益財団法人東京都医学総合研究所, 基礎医科学研究分野, 副参事研究員 (70569920)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松尾 拓哉 北里大学, 理学部, 教授 (00452201)
篠原 雄太 北海道大学, 遺伝子病制御研究所, 特任講師 (10755193)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
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| Keywords | 概日時計 / circadian rhythm / 生化学 / 質量分析 / 翻訳後修飾 / リン酸化 / カサノリ / クラミドモナス / 概日リズム |
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| Outline of Research at the Start |
概日時計の自律振動メカニズムとして時計遺伝子の転写・翻訳を介したフィードバック制御の重要性が提唱されてきた。しかし、これらは真の時計振動体からの機能出力リズム、つまり「時計の針」にすぎないのではないだろうか。本挑戦的開拓研究では、分子間相互作用・翻訳後修飾・酵素活性・立体構造変化などのタンパク質ダイナミクスが真核生物においても時計振動子（時計のクオーツ）として機能する、という予備的知見に基づき、クオーツの実体の同定と自律振動原理の理解を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
様々な生理現象には約24時間周期のリズム性が観察され、これは概日リズム（circadian rhythm）と呼ばれる。このリズムを駆動する分子機構は概日時計と呼ばれ、その自律振動メカニズムとして時計遺伝子の転写・翻訳を介したフィードバック制御の重要性が提唱されてきた。しかし、これらは真の時計振動体からの機能出力リズム、つまり「時計の針」にすぎないのではないだろうか。本研究では、分子間相互作用・翻訳後修飾・酵素活性・立体構造変化などのタンパク質ダイナミクスが真核生物においても時計振動子（時計のクオーツ）として機能する、という予備的知見に基づき、クオーツの実体の同定と自律振動原理の理解を目指している。様々な生物種における「概日時計クオーツ」の実体解明を目指し、引き続き哺乳類概日時計クオーツの研究を追求した。具体的には、時計タンパク質複合体の時刻依存的な変化から、昼と夜とで切り替わるリン酸化スイッチに着目した研究を展開した。このリン酸化スイッチにはCKIキナーゼのリクルートとその酵素活性が鍵を握ることを突き止めた。CKIキナーゼは低温でも高温でもリン酸化活性が変化しないというユニークな性質を持ち（篠原ら、Mol Cell）、温度補償性に関与すると考えられている。そこで篠原を新たに分担者に加え、CKIキナーゼと概日時計クオーツの関係を理解するべく研究をスタートさせた。最終年度に向けて、準備は万端である。一方松尾は、クラミドモナスの時計タンパク質ROC15のリン酸化に関与する新規変異体の原因遺伝子として、シロイヌナズナの時計タンパク質ELF4のホモログを同定した（投稿準備中）。また、種を超えた時計機構の解明に向けて、クラミドモナス細胞におけるマウスPER2の部分配列の発現に成功した。延長した最終年度において、緑藻細胞における哺乳類PER2の修飾のリズムの解析を行う準備が整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究計画では、分子間相互作用・翻訳後修飾・酵素活性・立体構造変化などのタンパク質ダイナミクスが真核生物においても時計振動子（時計のクオーツ）として機能する、という予備的知見に基づき、クオーツの実体の同定と自律振動原理の理解を目指している。これまでに計画通りの実験が遂行され順調な成果を上げている。これに加えて特筆するべきこととして、哺乳類概日時計クオーツ研究において、新規時計タンパク質を同定し、これがユニークな翻訳後制御に関与することを突き止めた。当該成果をよりインパクト高くアウトプットするために研究をさらに加速したい。
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| Strategy for Future Research Activity |
地球上で生活する多くの生物は、1日の中でダイナミックに変動する環境サイクルに適応するために概日時計（circadian clock）を獲得した。2017年ノーベル生理学・医学賞は時計遺伝子Periodの発見と概日時計を生み出す機構「時計遺伝子の転写・翻訳を介したフィードバック制御」の提唱である。行動リズムなど時計からのアウトプットを指標にした変異体スクリーニングから次々と“時計遺伝子”が同定され、転写フィードバック制御が時計振動の本質であると考えられるに至った。しかし我々は最近、カサノリの除核実験系を再構築し、転写がない条件においても明瞭な光合成リズムを測定することに成功した（未発表）。つまり、従来の定説である「核を必要とする転写フィードバック仮説」を覆す決定的な証拠を掴んだのである。我々は、転写リズムは機能出力として時計の針の役割を担っているだけであり、細胞質に存在する未知なる時計振動子がクオーツとして機能しているという大胆な作業仮説を立て、これを検証する。
これまで、哺乳類、シアノバクテリア、クラミドモナスなどの各種時計モデル生物において、時計タンパク質複合体の生化学的な解析を展開してきた。最終年度も引き続き、様々なモデル生物を駆使して時計タンパク質の翻訳後修飾の状態や相互作用因子などのタンパク質ダイナミクスの時刻変動を定量的に解析する。特に、CKIキナーゼと概日時計クオーツの関係を理解し、生物種を超えた自律振動の共通原理に迫りたい。
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