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2023 Fiscal Year Research-status Report

Circadian quartz as a protein oscillator

Research Project

Project/Area Number 21K18231
Research InstitutionTokyo Metropolitan Institute of Medical Science

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)

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)
Project Period (FY) 2021-07-09 – 2025-03-31
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
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。

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。

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。

Causes of Carryover

当初計画の遅延・変更:研究遂行に想定以上に時間を要したもの。
本年度に計画していた研究の多くは当初計画通りに進んだが、これに加えて「現在までの進捗状況」で書いたように、当初の想定を大きく超える発見があり、そちらの研究を優先した。結果的に一部の研究計画が未実施となり、これを期間延長により、当初計画通りに実施する。
当初計画通り、主に実験に必要な試薬や消耗品などの物品費や、その他として計上する外注費や雑費に使用する。

  • Research Products

    (34 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (30 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 15 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] KAIST(韓国)

    • Country Name
      KOREA (REP. OF KOREA)
    • Counterpart Institution
      KAIST
  • [Journal Article] Ror homolog nhr-23 is essential for both developmental clock and circadian clock in C. elegans2024

    • Author(s)
      Hiroki Shingo、Yoshitane Hikari
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 7 Pages: 243

    • DOI

      10.1038/s42003-024-05894-3

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Neocortical neuronal production and maturation defects in the TcMAC21 mouse model of Down syndrome2023

    • Author(s)
      Kurabayashi Nobuhiro、Fujii Kazuki、Otobe Yuta、Hiroki Shingo、Hiratsuka Masaharu、Yoshitane Hikari、Kazuki Yasuhiro、Takao Keizo
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 26 Pages: 108379~108379

    • DOI

      10.1016/j.isci.2023.108379

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Post-translational regulation of the mammalian clock protein complex2023

    • Author(s)
      Hikari Yoshitane
    • Organizer
      アジア時間生物学会ASRS 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] E3 ligases CLIP1 and CLIP2 ubiquitinate BMAL1 and inhibit the E-box function2023

    • Author(s)
      Yuta Otobe, Suzune Ando, Shunsuke Ito, Michinori Koebis, Akinori Endo, Kohei Ueno, Kaneyoshi Yamamoto, Minoru Saitoe, Yasushi Saeki, Atsu Aiba, Yoshitaka Fukada, Hikari Yoshitane
    • Organizer
      アジア時間生物学会ASRS 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The clock gene homolog Ror/nhr-23 generates both 8-hour molting rhythm and 24-hour circadian rhythm2023

    • Author(s)
      Shingo Hiroki, Yuichi Iino and Hikari Yoshitane
    • Organizer
      24th International C. elegans Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Chrono-proteinology: circadian interaction rhythms of clock proteins and chrono-code of their post-translational modifications2023

    • Author(s)
      Hikari Yoshitane
    • Organizer
      第61回 日本生物物理学会
    • Invited
  • [Presentation] 「時」を生み出す分子メカニズム2023

    • Author(s)
      吉種光
    • Organizer
      金沢大学 統合神経生理学セミナー
    • Invited
  • [Presentation] 糖尿病モデルマウスにおける時計出力リズムの破綻2023

    • Author(s)
      光吉悦子、川上聖司、深田吉孝、的場圭一郎、西村理明、吉種光
    • Organizer
      第38回 糖尿病合併症学会
  • [Presentation] 体内時計の分子メカニズム2023

    • Author(s)
      吉種光
    • Organizer
      東京都立大学 生命科学特別講義
    • Invited
  • [Presentation] CLOCK-BMAL1複合体のDNA認識部位へのリン酸化はDNA結合能を低下させて概日時計周期を決定する2023

    • Author(s)
      乙部優太、Eui Min Jeong、伊藤舜喬、饗場篤、深田吉孝、Jae Kyoung Kim、吉種光
    • Organizer
      第30回日本時間生物学会学術大会
  • [Presentation] 時間タンパク質学:時計タンパク質の相互作用リズムと翻訳後修飾コード2023

    • Author(s)
      吉種光
    • Organizer
      第23回 日本蛋白質科学会年会
    • Invited
  • [Presentation] 哺乳類における体内時計の分子メカニズム2023

    • Author(s)
      吉種光
    • Organizer
      早稲田大学 時間生物学講義
    • Invited
  • [Presentation] 時計老化: 加齢に基づく老化現象の分子メカニズム2023

    • Author(s)
      吉種光
    • Organizer
      第23回 日本抗加齢医学会総会
    • Invited
  • [Presentation] 「時」を生み出す分子メカニズム2023

    • Author(s)
      吉種光
    • Organizer
      北里大学 生物化学特別講義
    • Invited
  • [Presentation] Molecular mechanism of circadian clockwork2023

    • Author(s)
      Hikari Yoshitane
    • Organizer
      The University of Tokyo, Advanced photon life sciences
    • Invited
  • [Presentation] DOHaD仮説に基づく早期老化メカニズムの解明2023

    • Author(s)
      田中智子、斉藤貴志、西道隆臣、吉種光
    • Organizer
      第42回日本認知症学会
  • [Presentation] DBPの分解に寄与するE3リガーゼTRAF7の同定とその概日時計発振における役割2023

    • Author(s)
      倉林伸博、増田周作、布川莉奈、深田吉孝、吉種光
    • Organizer
      第30回日本時間生物学会学術大会
  • [Presentation] 概日時計の位相制御メカニズムの解析2023

    • Author(s)
      加藤雪、吉種光
    • Organizer
      第30回日本時間生物学会学術大会
  • [Presentation] 尿病モデルマウスにおける体内時計出力リズムの変化2023

    • Author(s)
      光吉悦子、川上聖司、深田吉孝、的場圭一郎、西村理明、吉種光
    • Organizer
      第30回日本時間生物学会学術大会
  • [Presentation] Timekeepers of the mammalian circadian clock regulate post-translational modifications2023

    • Author(s)
      Yuta Shinohara
    • Organizer
      第61回 日本生物物理学会
    • Invited
  • [Presentation] 巨大単細胞生物カサノリで転写に依存しない概日時計システムを探る2023

    • Author(s)
      松尾拓哉
    • Organizer
      第23回 日本蛋白質科学会年会 ワークショップ
    • Invited
  • [Presentation] Molecular mechanisms underlying light-induced resetting of the circadian clock in the green alga Chlamydomonas2023

    • Author(s)
      松尾拓哉
    • Organizer
      The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 緑藻から探る非転写概日振動体2023

    • Author(s)
      松尾拓哉
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会 シンポジウム 「時間タンパク質学」
    • Invited
  • [Presentation] 緑藻を用いた概日時計振動機構の研究2023

    • Author(s)
      松尾拓哉
    • Organizer
      第17回クラミドモナス研究会
  • [Presentation] 緑の藻から探る 体内時計コアメカニズム2023

    • Author(s)
      松尾拓哉
    • Organizer
      第8回理学部セミナー(北里大学)
    • Invited
  • [Presentation] 除核カサノリが24時間をカウントする分子機構2023

    • Author(s)
      松尾拓哉
    • Organizer
      学術変革領域B「時間タンパク質学」領域会議2023
    • Invited
  • [Presentation] 脊椎動物の骨格筋ミオシン重鎖遺伝子クラスターの発現と運動器官の進化2023

    • Author(s)
      加藤優斗、宮坂拓実、金子大輝、福井彰雅、松尾拓哉、伊藤道彦、田村啓
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] シマリスの冬眠に伴う低温誘導 RNA 結合タンパク質 Rbm3 遺伝子の発現増加機構の解析2023

    • Author(s)
      坂部寧々、米山美羽、田村啓、伊藤道彦、松尾拓哉、塚本大輔
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] 植物の概日時計とリン酸リレー系の機能的関係について2023

    • Author(s)
      青木摂之、松尾拓哉、山篠貴史、杉田護、崔鶴宇、地宗克洋、羅嘉傑、菅沼裕紀奈、田内和久ラザルス
    • Organizer
      日本植物学会第87回大会
  • [Presentation] 哺乳類の性決定遺伝子Sryの分子進化: 真獣哺乳類祖先-現存種2023

    • Author(s)
      奥山 ほのか、稲積 しおり、荻田 悠作、井口 竣友、回渕 修治、林 舜、須田 皓介、田村 啓、塚本 大輔、松尾 拓哉、伊藤 道彦
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] 転写因子DMRT1の転写活性化領域における分子進化2023

    • Author(s)
      石川直樹、藤谷和子、岡野則仁、林舜、須田皓介、奥山ほのか、坂部寧々、 稲積しおり、塚本大輔、田村啓、松尾拓哉、伊藤道彦
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] 異種交配におけるサブゲノム非対称的トランスポゾン発現の脱抑制:piRNAおよび片親ゲノム排除との連関性の検討2023

    • Author(s)
      須田皓介、三浦郁夫、田村啓、塚本大輔、奥山ほのか、松尾拓哉、伊藤道彦
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
  • [Remarks] 研究室HP

    • URL

      https://www.igakuken.or.jp/circadian/

URL: 

Published: 2024-12-25  

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