環境ストレス適応の基盤となる細胞時計の同期振動を駆動する蛋白質コード

• 研究課題/領域番号: 19K07288
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分48020:生理学関連
• 研究機関: 東邦大学
• 研究代表者: 田丸 輝也 東邦大学, 医学部, 講師 (80291706)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: circadian rhythm / stress response / biological clock / live imaging / phosphorylation / nuclear translocation / transcription facttor / synchronization / ranscription facttor / transcription factor / bioluminescence / Bioluminescence / protein modification / 生物時計 / 環境ストレス / 転写因子 / 蛋白質修飾 / 同期

研究開始時の研究の概要

環境・ストレスは様々な健康問題・疾患(生活習慣病・癌等)を引き起こし、時計蛋白質BMAL1等による細胞時計を介するストレス適応能の低下はその一因だと考えられている。
本研究は、環境ストレス適応の基盤となる細胞時計の同期を統御する蛋白質コード（修飾、相互作用、細胞内局在等）を解明することを目的とする。研究代表者はその鍵として細胞時計同期の初期過程で不可欠な役割を担うBMAL1のS領域(BMAL1-S)とBMAL1核局在の同期（ISR）を発見し、同期に関与しうるBMAL1蛋白質制御も解明している。本研究で示される新たな時計同期機序の知見を礎に、ストレス適応能の向上を図る医療への展開が期待される。

研究実績の概要

環境によるストレス(環境ストレス)は様々な健康問題・疾患(生活習慣病・癌等)を引き起こし、時計蛋白質BMAL1等による細胞時計を介するストレス適応能の低下はその一因だと考えられている。研究代表者はその根拠として、様々な環境ストレス(熱、活性酸素、UV)に対し、複数の適応防護システムと連携した細胞時計の同期応答が適応反応を駆動し、その同期障害はストレス適応能を低下させることを示している。
本研究は、環境ストレス適応の基盤となる細胞時計の同期を統御する蛋白質コード（修飾、相互作用、細胞内局在等）を解明することを目的とする。代表者はその鍵として細胞時計同期の初期過程で不可欠な役割を担うBMAL1のS領域とBMAL1核細胞質内局在パターンの同期性転移（ISR）を発見し、同期に関与しうるBMAL1蛋白質制御も解明している。
本年度は、末梢時計モデルとして、繊維芽細胞の細胞時計同期において、BMAL1-ISR (核蓄積)に不可欠なCK2によるBMAL1-Ser90リン酸化の迅速な活性化を発見し、CK2阻害剤によって時計同期による位相シフトの阻害を確認した。中枢時計における解析として、SCN特異的並びにSCNのBMAL1をほとんど欠損したマウスを作製し、行動、スライスにおける時計レポータリズムの破壊を確認した。さらにAAVベクターによるBMAL1野生型・S領域欠損型レスキュー系を用いて、S領域が欠損すると個々のSCNニューロンの時計は振動するが、位相がバラバラにずれて脱同期すること、つまりBMAL1-S領域が中枢細胞時計の同期発振に不可欠であることを示した。本研究の新たな時計同期機序の知見を礎に環境の日内変動やストレスへの適応能の向上し、その利用を図る医療への展開が期待される。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初計画していたテーマのうち、中枢時計すなわち、脳、視床下部の中枢時計SCNにおける上記の解析は、SCN特異的BMAL1ノックアウトマウスの交配による作製に成功しさらなる解析に移行した一方、SCNの全体に発現するGABAニューロン特異的なBMAL1ノックアウトマウスの交配も、完成した。作製したマウスのSCNにAAVベクターによりBMAL1野生型・変異体を発現し、時計機能をレスキューする系が中枢時計SCNのスライス培養系（ex vivo）で、確立し、BMAL1-S領域が中枢細胞時計の同期発振に不可欠であることを示した。一方、個体（in vivo）でSCNへのレスキュー系は実験系の立ち上げにほぼ成功し、活動リズム解析により、BMAL1-S領域が明暗周期に同調に不可欠であることを示した。これらの実験は例数を増やすなどさらに検討が必要なことから、本計画を1年延長した。また、BMAL1-Sに結合する蛋白質のMS解析は、培養細胞の内在性レベルの発現量では、十分な収量を得られていないため、他の実験を優先した。たとえば、培養細胞において、時計同調早期にCK2によるBMAL1-Ser90リン酸化の急性サージを見出し、CK２阻害剤を用いた解析によって、細胞時計同期による位相シフトにS90リン酸化が関与していることを示した。

今後の研究の推進方策

今後、１）SCNのほぼ全てを占めるGABAニューロン特異的なBMAL1ノックアウトマウスへのBMAL1発現によるレスキュー系における実験を進めて、SCN特異的BMAL1KOマウスとともに、SCNスライス、個体へのAAVベクターの注入によって、中枢時計における細胞時計同期発振におけるBMAL1-S 領域と関連する修飾の役割を解明する。　２）ISRを生細胞リアルタイムで測定するため、mVenus-BMAL1の発現によるBMAL1の挙動の生細胞リアルタイム蛍光イメージング解析を進めていく。３）BMAL1-Sに結合する蛋白質のMS解析は、タグを改良して、精製純度を上げることを検討している。４）時計同調早期にCK2によるBMAL1-Ser90リン酸化の急性サージを見出したが、BMAL1-S欠損株と野生株においてBMAL1--Ser90リン酸化を比較することにおいて、BMAL1-SシグナルとBMAL1-Ser90リン酸化シグナルの相互関係を解明する。

研究成果

• [国際共同研究] Institut Necker-Enfants Malades (INEM)(フランス)
• [国際共同研究] Institut Necker-Enfants Malades (INEM)(フランス)
• [雑誌論文] Class 3 PI3K coactivates the circadian clock to promote rhythmic de novo purine synthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Alkhoury Chantal、Henneman Nathaniel F.、Petrenko Volodymyr、Shibayama Yui、Segaloni Arianna、Gadault Alexis、Nemazanyy Ivan、Le Guillou Edouard、Wolide Amare Desalegn、Antoniadou Konstantina、Tong Xin、Tamaru Teruya、Ozawa Takeaki、Girard Muriel、Hnia Karim、Lutter Dominik、Dibner Charna、Panasyuk Ganna
  • 雑誌名: Nature Cell Biology 巻: 25 号: 7 ページ: 975-988
  • DOI: 10.1038/s41556-023-01171-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transgenic rats expressing dominant negative BMAL1 showed circadian clock amplitude reduction and rapid recovery from jet lag (2021)
  • 著者名/発表者名: Minami Yoichi、Yoshikawa Tomoko、Nagano Mamoru、Koinuma Satoshi、Morimoto Tadamitsu、Fujioka Atsuko、Furukawa Keiichi、Ikegami Keisuke、Tatemizo Atsuhiro、Egawa Kentaro、Tamaru Teruya、Taniguchi Taizo、Shigeyoshi Yasufumi
  • 雑誌名: European Journal of Neuroscience 巻: 53 号: 6 ページ: 1783-1793
  • DOI: 10.1111/ejn.15085
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cell-based screen identifies a new potent and highly selective CK2 inhibitor for modulation of circadian rhythms and cancer cell growth. (2019)
  • 著者名/発表者名: Oshima T, Niwa Y, Kuwata K, Srivastava A, Hyoda T, Tsuchiya Y, Kumagai M, Tsuyuguchi M, Tamaru T, Sugiyama A, Ono N, Zolboot N, Aikawa Y, Oishi S, Nonami A, Arai F, Hagihara S, Yamaguchi J, Tama F, Kunisaki Y, Yagita K, Ikeda M, Kinoshita T, Kay SA, Itami K, Hirota T.
  • 雑誌名: Science Advance 巻: 23 号: 1 ページ: 9060-9060
  • DOI: 10.1126/sciadv.aau9060
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The clock components Period2, Cryptochrome1a, and Cryptochrome2a function in establishing light-dependent behavioral rhythms and/or total activity levels in zebrafish (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirayama J, Alifu Y, Hamabe R, Yamaguchi S, Tomita J, Maruyama Y, Asaoka Y , Nakahama K, Tamaru T, Takamatsu K, Takamatsu N, Hattori A, Nishina S, Azuma N, Kawahara A, Kume K, Nishina H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 196-196
  • DOI: 10.1038/s41598-018-37879-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 中枢細胞時計の同期発振を司る時計蛋白質シグナル；時差ぼけ創薬に向けて. (2024)
  • 著者名/発表者名: 田丸 輝也, 河村 玄気, 長野護, 吉種 光, 清水貴美子, 深田 吉孝, 小澤 岳昌, 重吉康史, 高松 研
  • 学会等名: 第101回生理学会大会, シンポジウム
• [学会発表] Development of bioluminescent probes to analyze the role of NADPH oxidase 1 function in circadian clock synchronization. (2024)
  • 著者名/発表者名: Genki Kawamura, Teruya Tamaru, Takeaki Ozawa
  • 学会等名: 日本化学会第104回春季年会
• [学会発表] Clock protein signals controlling synchronized oscillations of central cellular clocks; toward overcoming jet lag. (2023)
  • 著者名/発表者名: Teruya Tamaru, Genki Kawamura, Hikari Yoshitane, Mamoru Nagano, Kimiko Shimizu, Yoshitaka Fukada, Takeaki Ozawa, Yasufumi Shigeyohi, Ken Takamatsu
  • 学会等名: 日本睡眠学会第45回定期学術集会・第30回日本時間生物学会学術大会 合同大会
• [学会発表] ROS generation by NADPH oxidase 1(NOX1) mediates clock synchronization in mouse fibroblasts NADPH oxidase 1(NOX1)によるROS(活性酸素)産生はマウス線維芽細胞において概日時計の同調に寄与する. (2023)
  • 著者名/発表者名: 河村玄気, 田丸輝也, 小澤岳昌
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 細胞時計の同期振動を司る時計蛋白質コード；時差ぼけ健康障害克服に向けて (2023)
  • 著者名/発表者名: 田丸輝也、河村玄気、吉種光、長野護、重吉康史、清水貴美子、深田吉孝、 小澤岳昌、高松研
  • 学会等名: 第100回日本生理学会記念大会シンポジウム、京都、2023年3月
• [学会発表] 細胞時計の同期振動を司るBMAL1蛋白質コード；時差ぼけ健康障害克服の新規戦略 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田丸輝也、河村玄気、吉種光、長野護、重吉康史、清水貴美子、深田吉孝、 小澤岳昌、高松研
  • 学会等名: 第29回日本時間生物学会学術大会、宇都宮、2022年12月
• [学会発表] 時差障害の克服に向けた細胞時計同期振動の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田丸輝也, 重吉康史, 河村玄気, 小澤岳昌, 吉種光, 清水貴美子, 深田吉孝, 高松研
  • 学会等名: 第９９回日本生理学会大会 仙台（シンポジウム、オンサイト開催）
• [学会発表] 環境ストレス適応の基盤となる細胞時計同期を導くBMAL1:CLOCKの初期応答 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田丸輝也, 吉種光, 河村玄気, 小澤岳昌, 深田吉孝
  • 学会等名: 第27回日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] Initial protein events commonly pivotal for various environments/stresses- triggered cellular clock synchronization. (2019)
  • 著者名/発表者名: Teruya Tamaru, Genki Kawamura, Hikari Yoshitane, Takeaki Ozawa, Yoshitaka Fukada, Ken Takamatsu
  • 学会等名: EBRS2019 (XVI EUROPEAN BIOLOGICAL RHYTHMS SOCIETY CONGRESS)
  • 国際学会
• [学会発表] Circadian BMAL1-HSF1-;p53 interplay regulates UV-triggered clock synchronization to evoke stress protection. (2019)
  • 著者名/発表者名: Genki Kawamura, Teruya Tamaru, Mitsuru Hattori, Ken Takamatsu, Takeaki Ozawa
  • 学会等名: EBRS2019 (XVI EUROPEAN BIOLOGICAL RHYTHMS SOCIETY CONGRESS)
  • 国際学会
• [学会発表] Initial signals to synchronize cellular clocks commonly evoking environmental stress adaptation. (2019)
  • 著者名/発表者名: 田丸輝也, 吉種 光, 河村玄気, 小澤岳昌, 深田吉孝, 高松研
  • 学会等名: 第 26 回日本時間生物学会学術大会