2021 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。これまでの研究で時計遺伝子Bmal1の転写制御領域にある2つのRRE配列を欠損した細胞とマウスを作成し、Bmal1遺伝子の発現リズムが一定になることを確認するとともに、その条件においても時計振動が継続するという驚くべき事実を発見した。本年度には、数理学者との国際共同研究を展開し、得られた表現型の理解を目指した。数理シミュレーションにより細胞とマウスレベルでのデータを再現できるパラメーターセットを決定し、このRRE欠損モデルにおいてリズムの振動が特定のパラメーターへの摂動に脆弱であることを見出した。さらに、この予想を細胞・マウスレベルで実験的に実証することに成功した。またRNA-Seqやプロテオーム解析から、RRE欠損が与える生理的な悪影響を浮き彫りにすることに成功した。またこれと並行して、Namptマウスの解析を継続して行った。
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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
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。これまでにBmal1遺伝子の発現リズムが停止した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。その一方で、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、数理シミュレーションと実験とを「フィードバック」させる研究を展開した結果、Bmal1遺伝子の発現リズムが時計の安定性に大きく寄与していることを見出した。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3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欠損による起こる異常を実験と数理シミュレーションの両面から示すことができた。このように時計コアBoxの解析は計画通りの成果をあげることができたため、最終年度では特に時計出力Boxの機能解析を中心に展開する。具体的には、これまでに作成したNamptのE-box欠損マウスを利用する。当該マウスでは、Nampt遺伝子の発現リズムが低く一定になっていることを確認したが、個体・組織レベルでどのような異常が見られるのかを詳細に解析し、E-boxを介したNamptリズムの意義を個体レベルで明らかにしたい。
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