生物リズム低温停止現象の分岐理論を用いた理解

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16J40136
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 村山(井上) 依子 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2021-03-31
• Keywords: 概日リズム / 分岐理論

Outline of Annual Research Achievements

約24 時間の生理的活性のリズムは概日リズムと呼ばれている。低温・強光下など極端な環境条件下で概日リズムがなくなることは古くから報告されてきたが、リズム消失の原因をさぐる研究はほとんど行われていない。そこで本研究は非線形動力学の分野で知られている分岐理論を用いて概日リズムの低温消失問題に取り組んだ。シアノバクテリアの概日時計は試験管内再構成に成功しており、3 つの時計タンパク質KaiA、KaiB、KaiC とATP を試験管内で混ぜるだけで約24 時間周期のKaiC のリン酸化状態の振動が観察できる。これまでに、概日リズム試験管内再構成系が低温でHopf 分岐のシナリオでリズム消失することを明らかにした。Hopf 分岐の理論の示す通り、試験管内再構成系は低温でリズムがないのではなく、減衰振動であることがわかった。試験管内再構成系の減衰振動はタイミングよく繰り返し刺激することで大きな振幅のリズムとなった。この結果は、これまで時計がないと考えられてきた低温域で、昼夜のわずかな環境変化により駆動される減衰振動子をベースとした時計をシアノバクテリア細胞が活用している可能性を示唆する。シアノバクテリアは概日時計を持つ細胞と持たない細胞の環境への適応度の差を示せる実験系（競合実験）がある。この手法で減衰振動子の有用性を示そうとしたが、シアノバクテリアの時計が減衰振動となる18℃以下では増殖が著しく遅いことが問題となった。次に減衰振動子を共鳴させた時のゲノムワイドな遺伝子発現プロファイルの解析を試みている。ごく最近、時計遺伝子kaiA 不活化株が減衰振動子であること、明暗サイクルへの共鳴を示すことが報告された。このkaiA 不活化株も併用し、減衰振動子が時計として機能しうるのか明らかにしたい。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究再開準備支援期間を取得しスムーズに復職できたため、研究計画をおおむね順調に進展できた。
明暗サイクルに共鳴した減衰振動子がシアノバクテリア細胞で概日時計として機能するか明らかにするため、生理学的解析を行なった。減衰振動子を共鳴させた時のゲノムワイドな遺伝子発現プロファイルの解析については装置と実験系の再立ち上げが完了しており、次年度には計画通り結果が得られる予定である。
本研究は、アフリカツメガエルの細胞周期の低温停止現象も研究対象としている。本年度は、受精卵の画像データから分裂が起こったタイミングを抽出するプログラムの開発を進め、これまでに撮影したタイムラプス画像の解析を行なった。

Strategy for Future Research Activity

これまで18℃で観察できる減衰振動子の研究を行なってきたが、シアノバクテリアの生育が著しく悪くなることが解析上の問題となることがあった。最近、減衰振動を示すことが報告されたkaiA 不活化株は30℃の標準条件で解析が可能であるため、今後はこの株も研究に利用し減衰振動子の有用性を実証したい。減衰振動子の価値を見直す本研究は、時間生物学界に新たな展開をもたらすと期待できる。
アフリカツメガエルの細胞周期研究に関しては、受精卵を用いた解析を効率的に行うためにプログラムの改良を進めるとともに、無細胞系の細胞周期の低温停止現象の観察、受精卵と無細胞系のリズムの停止位相の解析を行う予定である。