時間タンパク質学：概年タンパク質が365日をカウントする制御機構

• 研究領域: 時間タンパク質学：多様な「時」を生み出すタンパク質マシーナリー
• 研究課題/領域番号: 24H02303
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 吉村 崇 名古屋大学, 生命農学研究科(WPI), 教授 (40291413)
• 研究期間 (年度): 2024-04-01 – 2029-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 73,580千円 (直接経費: 56,600千円、間接経費: 16,980千円); 2026年度: 14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円); 2025年度: 14,690千円 (直接経費: 11,300千円、間接経費: 3,390千円); 2024年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円)
• キーワード: 時間タンパク質 / 概年時計 / 体内時計 / 概年リズム

研究開始時の研究の概要

生物の体内には約1年のリズムを刻む概年時計が存在するが、その仕組みは未解明である。明瞭な概年リズムを示すメダカの時系列試料の解析から、約1年のリズムを刻む概年タンパク質を同定した。また概年タンパク質の解析から、幹細胞の増殖・分化とエピゲノム制御が、1年という長い周期のリズムを刻む可能性が示唆されている。また異なる緯度に由来するメダカを用いた順遺伝学的な解析から、概年時計が温度の季節変化を感知して同調する際に鍵となる季節センサータンパク質を同定している。本研究では概年タンパク質、季節センサータンパク質のタンパク質学から、動物が約１年という時を刻み、環境の365日に同調する仕組みを解明する。

研究実績の概要

地球の公転により、生物をとりまく環境は季節によって大きく変化している。繰り返し訪れる環境の季節変化に積極的に適応するために、生物は進化の過程で約１年のリズムを刻む概年時計を獲得した。研究代表者は最近、顕著な季節応答を示すメダカが概年リズムを示すことを明らかにした。また自然条件と恒常条件で実施したトランスクリプトーム解析から概年リズムを構成すると考えられる概年遺伝子とその産物である概年タンパク質を同定することに成功している。さらに、生息緯度の異なる野生由来のメダカ集団を用いた順遺伝学的解析から環境温度の２℃の違いを明確に識別して、繁殖開始を促す季節センサータンパク質を同定することにも成功している。本研究では、同定した概年タンパク質と季節センサータンパク質を突破口として、約1年の時を駆動する時計機構と、その概年時計が365日に同調するタンパク質マシーナリーを解明することを目的とした。１年のリズムの駆動原理の解明については、数年間にわたるトランスクリプトーム解析の結果、メダカの視床下部・下垂体で幹細胞の分裂を抑制するタンパク質や、細胞分裂・分化に関与するタンパク質をコードする遺伝子の発現が１年のリズムを刻むことを見出している。視床下部、下垂体において、細胞分裂の有無を5-ethynil-2'-deoxyuridine (EdU)で検討したところ、組織切片上でEdU陽性細胞数が1年を通して変化していた。環境温度を感知して365日に同調する仕組みの解明については、QTL解析、RNA-seq解析から同定した季節センサータンパク質について、メダカのヒレ由来の繊維芽細胞において、GFP融合タンパク質を発現させ、細胞内で液滴形成を検討した。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

１年のリズムの駆動原理の解明については、メダカの視床下部・下垂体で幹細胞の分裂を抑制するタンパク質や、細胞分裂・分化に関与するタンパク質をコードする遺伝子の発現が１年のリズムを刻むことを見出していたため、視床下部、下垂体において、細胞分裂の有無を5-ethynil-2'-deoxyuridine (EdU)で検討したところ、組織切片上でEdU陽性細胞数が1年を通して変化していることを確認している。さらにマウスにおいても季節によってさまざまな組織において細胞分裂、細胞サイズがダイナミックに変化することを見出し、この組織のリモデリングにGABPが関与することを見出し、論文を投稿した(Nature Communications, in press)。環境温度を感知して365日に同調する仕組みの解明については、QTL解析、RNA-seq解析から同定した季節センサータンパク質について、メダカのヒレ由来の繊維芽細胞において、GFP融合タンパク質を発現させ、細胞内で液滴形成を検討した。その結果、DNA結合ドメインのみでは液滴形成をしないのに対し、天然変性領域および、タンパク質全長は液滴形成することを明らかにしている。さらに光褪色後蛍光回復法(fluorescence recovery after photobleaching: FRAP)を行ったところ、蛍光タンパク質の輝点が相分離状態であることを確認している。また、視床下部・下垂体について、プロテオミクス、リン酸化プロテオミクスを実施するなど、当初の計画どおり、研究が進展している。

今後の研究の推進方策

１年のリズムの駆動原理の解明については、EdU陽性細胞数が視床下部で、季節によって変化していることを確認できた。しかし、全脳において、いつ、どこで細胞分裂が起こっているかについて、透明化技術とライトシート顕微鏡を用いることでさらに詳細に明らかにする。また、トランスクリプトーム解析から、季節変動遺伝子の多くが夏か冬に発現のピークを示していたため、single cell multiome解析を通じて、１細胞レベルの分解能で１年のリズムが駆動される仕組みを考察する。また、転写レベルだけでなく、翻訳レベルで１年のリズムがどのように刻まれているか明らかにするため、Ribo-Seq解析を進めると同時に、プロテオミクス、リン酸化プロテオミクスを進める。環境温度を感知して365日に同調する仕組みの解明については、東通、花巻、両集団由来の季節センサータンパク質-GFP融合タンパク質について蛍光相関分光法を用いて、細胞内で液滴形成の温度依存性を検討する。また、季節センサータンパク質を大腸菌で強制発現させたので、in vitroにおいても塩濃度、pHなどの条件を種々変化させた上で、相分離の温度依存性を明らかにする。また、概年リズムの駆動機構の普遍性の解明については、アカゲザルの全身80組織の１年間を通したトランスクリプトーム解析から動物の季節適応に重要な転写因子を同定することに成功した。これが１年のリズムに及ぼす影響を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Non-human primate seasonal transcriptome atlas reveals seasonal changes in physiology and diseases (2025)
  • 著者名/発表者名: Chen J, Okimura K, Ren L, Nakane Y, Nakayama T, Chen Y, Fukawa K, Sugiyama S, Natsume T, Suda-Hashimoto N, Morimoto M, Miyabe-Nishiwaki T, Oishi T, Katada Y, Zhang M, Kobayashi K, Matsumoto S, Yamaguchi T, Guh YJ, Takahashi I, Nishiwaki-Ohkawa T, Sato D, Murata Y, Sumiyama K, Nagano AJ, Imai H, Yoshimura T
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: in press
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] STR mutations on chromosome 15q cause thyrotropin resistance by activating a primate-specific enhancer of MIR7-2/MIR1179 (2024)
  • 著者名/発表者名: Grasberger H, Dumitrescu A, Liao XH, Swanson E, Weiss RE, Srichomkwun P, Pappa T, Chen J, Yoshimura T, et al
  • 雑誌名: Nature Genetics 巻: 56 号: 5 ページ: 877-888
  • DOI: 10.1038/s41588-024-01717-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis and preclinical testing of a selective beta-subtype agonist of thyroid hormone receptor ZTA-261 (2024)
  • 著者名/発表者名: Nambo M, Nishiwaki-Ohkawa T, Ito A, Ariki ZT, Ito Y, Kato Y, Yar M, Yim JCH, Kim E, Sharkey E, Kano K, Mishiro-Sato E, Okimura K, Maruyama M, Ota W, Furukawa Y, Nakayama T, Kobayashi M, Horio F, Sato A, Crudden CM, Yoshimura T
  • 雑誌名: Communications Medicine 巻: 4 号: 1 ページ: 152-152
  • DOI: 10.1038/s43856-024-00574-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The role of circadian clock gene Arntl in the winter depression-like behavior in melatonin-proficient female CBA/N mice (2024)
  • 著者名/発表者名: Ren Liang、Okimura Kousuke、Ishikawa Akira、Kon Naohiro、Shimba Shigeki、Yoshimura Takashi
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 734 ページ: 150790-150790
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2024.150790
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 脊椎動物の季節適応の分子メカニズム (2025)
  • 著者名/発表者名: 吉村崇
  • 学会等名: 第102回日本生理学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 月や季節のリズムを刻む体内時計の制御機構の解明とその制御 (2025)
  • 著者名/発表者名: 吉村崇
  • 学会等名: 日本化学会第105春季年会(2025)
  • 招待講演
• [学会発表] Medaka as a model to understand the seasonal timer and winter depression (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura T
  • 学会等名: NBRP Medaka International Workshop 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 月や季節のリズムの分子機構の解明にむけて (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉村崇
  • 学会等名: 生化学若い研究者の会
  • 招待講演
• [学会発表] Tissue remodeling, a key for the circannual clock? (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura T
  • 学会等名: Sapporo Symposium on Biological Rhythm
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photoperiodism and seasonal reproduction in vertebrates (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura T
  • 学会等名: InSC Workshop on Mechanisms Underlying Daily and Seasonal Biological Processes
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding circadian and seasonal mechanisms by chemical genetics approach (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura T
  • 学会等名: InSC Workshop on Mechanisms Underlying Daily and Seasonal Biological Processes
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 魚類、げっ歯類、霊長類から紐解く季節適応機構と季節性疾患 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉村崇
  • 学会等名: 第97回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 概年時計の制御機構の解明にむけて (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉村崇
  • 学会等名: 第31回日本時間生物学会学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] 脊椎動物の季節適応機構 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉村崇
  • 学会等名: 2024年度生理学研究所研究会「極限環境適応」
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular basis of seasonal adaptation in vertebrates (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura T
  • 学会等名: International Conference on Circadian Rhythms in Health and Diseases: From Discovery to Function (CRHD2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 甲状腺刺激ホルモン抵抗性の原因を特定
  • URL: https://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/ja/research/2024/05/post-75.php
• [備考] 脂質異常症を改善する新規化合物の開発に成功 ～副作用の少ない新たな治療薬としての応用に期待～
  • URL: https://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/ja/research/2024/08/post-84.php