2020 Fiscal Year Annual Research Report
Systems biology for DNA cis-elements in circadian clockwork
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19H03175
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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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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 概日時計 / DNAシスエレメント / ゲノム編集 / システムバイオロジー / 転写制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
概日時計の基本骨格は転写フィードバック制御である。bHLH-PAS型の転写因子であるCLOCKとBMAL1はDNA上の時計シス配列E-boxに結合して一群の遺伝子の転写を活性化する。この標的遺伝子の中にはPeriod (Per)やCryptochrome (Cry)が含まれており、転写・翻訳されたPERとCRYはCLOCK-BMAL1による転写活性化を抑制する。このとき同時に、E-boxを介してリズミックな転写調節を受けるRev-erbは、DNAシス配列RREの転写活性を抑制することにより、E-boxと逆位相の転写リズムを生み出している。この概日時計の転写フィードバック制御の中で、どの時計シス配列がどの時計遺伝子の転写リズムを制御することが時計振動に必要不可欠であるのか、という根本的な問いが未解決である。そこで本研究では、遺伝子近傍の時計シス配列をゲノム編集技術により欠損し、特定の遺伝子の転写リズムを消失させてその効果を評価する。これまでの2年間で時計遺伝子Bmal1の転写制御領域にある2つのRRE配列を欠損した細胞を樹立し、Bmal1遺伝子の遺伝子発現リズムが時刻によらず一定になることを示した。さらに、これらRRE配列を欠損した変異マウスを作成し、Bmal1の転写リズムが時計振動に必須ではないことを明らかにした。興味深いことにこのRRE欠損によって、組織における時計出力リズムが乱れ、細胞レベルでも外部刺激への応答に異常が見られることが判明した。またこれと並行して、Nampt遺伝子に着目し、この転写制御領域にあるE-boxを欠損した細胞とマウスを作成した。今後このマウスの個体・組織レベルでの解析を展開し、その重要性を評価したい。
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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
時計シス配列の欠損という画期的な手法によりリズミックに発現する遺伝子を欠損することなく、その発現レベルを一定にして時計振動に与える影響を評価することが本研究の目的である。時計遺伝子の中でも単一の遺伝子欠損でリズム性が完全に停止する主要な時計遺伝子Bmal1に着目し、予定通りにその発現レベルを一定にすることができたが、この細胞とマウスにおいて時計の振動が停止しないという驚くべき事実を見出した。これは教科書にまで書かれるようになった時計のフィードバック仮説を根底から覆す発見である。この事実は、遺伝子そのものではなく時計シス配列の欠損をしたからこそ見出されたものであり、本研究ストラテジーの妥当性を示している。一方で、時計振動に必要ないことが判明したBmal1遺伝子の発現リズムではあるが、多くの生物種のほぼ全ての組織において実際にはBmal1遺伝子はリズミックに発現しており、進化上そのリズム性は有利に働いたと考えられる。では、Bmal1遺伝子の発現リズムにはどのような役割があるのだろうか。この新たに浮かび上がった問いに迫るべく、次年度以降に数理解析を計画した。これは当初の計画を大きく上回る進捗状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
この概日時計の転写フィードバック制御の中で、どの時計シス配列がどの時計遺伝子の転写リズムを制御することが時計振動に必要不可欠であるのか、という根本的な問いが未解決である。そこで本研究では、遺伝子近傍の時計シス配列をゲノム編集技術により欠損し、特定の遺伝子の転写リズムを消失させる。この中で、どの時計遺伝子のどの時計シス配列による転写制御が時計振動に必要不可欠であるのかを追求し、現状のフィードバック制御モデルを大胆に更新する正しい時計振動メカニズムを記述したい。これまでの2年間で時計遺伝子Bmal1の転写制御領域にある2つのRRE配列を欠損したマウスを作成し、Bmal1遺伝子の遺伝子発現リズムが時刻によらず一定になることを示した。Bmal1の転写リズムは、時計振動に必須ではないものの、このRRE欠損による組織・細胞レベルでの異常を見出した。今後、共同研究者に協力してもらい数理的なシミュレーションを行い、得られた表現型の理解を目指す。これと並行して、これまでに作成したNamptのE-box欠損マウスを駆使し、Nampt遺伝子の発現リズムに異常が見られるかを確認するとともに、個体・組織レベルでどのような異常が見られるかを解析する。リズム振動そのものではなく、それぞれの生理機能の出力に鍵となるシス配列にメスを入れることにより、複雑なリズム出力を切り分けてその重要性が評価できると期待している。
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