概日時計クオーツとして機能するタンパク質振動子

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K18231
• 研究機関: 公益財団法人東京都医学総合研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 松尾 拓哉 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 講師 (00452201)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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、初年度に引き続きこれまで吉種が推進してきた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に含まれる新規因子を同定し、その機能を解析した。酵素活性依存的に翻訳後修飾を介して転写活性を抑制するメカニズムを明らかにすることができた。これと並行して、様々な生物種における概日時計クオーツの実体を追求した。具体的にはクラミドモナスの主要な時計タンパク質にFlagタグを付加して相互作用因子を探索した。さらに、クラミドモナス時計タンパク質ROC15に関する研究を展開し、網羅的な変異体スクリーニングにより、ROC15のリン酸化修飾に関与する遺伝子を同定した。当該遺伝子は環境（光刺激）に応答して起こるROC15のリン酸化に関わることを明らかにし、その成果はPLOS Genet誌に掲載された。さらに、この遺伝子の変異体を利用することによりROC15の概日的なリン酸化に焦点を当てた解析が可能となり、キナーゼ阻害剤ライブラリのスクリーニングの結果、ROC15の概日的なリン酸化を強力に抑制する阻害剤を同定した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。研究実績の概要に記載したように、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することができた。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。

今後の研究の推進方策

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たて、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、哺乳類で同定した新規時計タンパク質の解析を当初の計画を超えて解析を進めたい。これら相互作用リズムや翻訳後修飾リズムが生み出される分子メカニズムを追求し、生物種を超えた自律振動の共通原理を理解する。

次年度使用額が生じた理由

基金化された予算であるため、特に年度末に大活躍をして実験のペースを落とすことなく研究を継続することができた。次年度使用額が生じているが、すぐに使用予定であり問題はない。当初の計画通りに研究を遂行し、研究消耗品を中心に使用する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] KAIST(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KAIST
• [雑誌論文] Rhythmic transcription of Bmal1 stabilizes the circadian timekeeping system in mammals (2022)
  • 著者名/発表者名: Abe Yasuko O.、Yoshitane Hikari、Kim Dae Wook、Kawakami Satoshi、Koebis Michinori、Nakao Kazuki、Aiba Atsu、Kim Jae Kyoung、Fukada Yoshitaka
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 4652
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32326-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lint‐O cooperates with L(3)mbt in target gene suppression to maintain homeostasis in fly ovary and brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto‐Matsuda Hitomi、Miyoshi Keita、Moritoh Mai、Yoshitane Hikari、Fukada Yoshitaka、Saito Kuniaki、Yamanaka Soichiro、Siomi Mikiko C
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 23 ページ: e53813
  • DOI: 10.15252/embr.202153813
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Adiponectin regulates the circadian rhythm of glucose and lipid metabolism (2022)
  • 著者名/発表者名: Wada Taira、Yamamoto Yukiko、Takasugi Yukiko、Ishii Hirotake、Uchiyama Taketo、Saitoh Kaori、Suzuki Masahiro、Uchiyama Makoto、Yoshitane Hikari、Fukada Yoshitaka、Shimba Shigeki
  • 雑誌名: Journal of Endocrinology 巻: 254 ページ: 121～133
  • DOI: 10.1530/JOE-22-0006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular encoding and synaptic decoding of context during salt chemotaxis in C. elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Shingo、Yoshitane Hikari、Mitsui Hinako、Sato Hirofumi、Umatani Chie、Kanda Shinji、Fukada Yoshitaka、Iino Yuichi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 2928
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30279-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diurnal shift of mouse activity by the deficiency of an ageing-related gene <i>Lmna</i> (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawakami Satoshi、Yoshitane Hikari、Morimura Taiki、Kimura Wataru、Fukada Yoshitaka
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 171 ページ: 509～518
  • DOI: 10.1093/jb/mvac015
  • 査読あり
• [雑誌論文] mTOR-AKT Signaling in Cellular Clock Resetting Triggered by Osmotic Stress (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshitane Hikari、Imamura Kiyomichi、Okubo Takenori、Otobe Yuta、Kawakami Satoshi、Ito Shunsuke、Takumi Toru、Hattori Kazuki、Naguro Isao、Ichijo Hidenori、Fukada Yoshitaka
  • 雑誌名: Antioxidants Redox Signaling 巻: 37 ページ: 631～646
  • DOI: 10.1089/ars.2021.0059
  • 査読あり
• [雑誌論文] A potential EARLY FLOWERING 3 homolog in Chlamydomonas is involved in the red/violet and blue light signaling pathways for the degradation of RHYTHM OF CHLOROPLAST 15 (2022)
  • 著者名/発表者名: Gururaj Malavika、Ohmura Ayumi、Ozawa Mariko、Yamano Takashi、Fukuzawa Hideya、Matsuo Takuya
  • 雑誌名: PLOS Genetics 巻: 18 ページ: e1010449
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1010449
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉種光
  • 学会等名: 第12回 都医学研シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 時計老化: 加齢に基づく老化現象の分子メカニズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉種光
  • 学会等名: 日本生理学会 第100回 記念大会
  • 招待講演
• [学会発表] 巨大単細胞緑藻で探る１日を規定するタンパク質特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松尾拓哉
  • 学会等名: 第12回 都医学研シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Circadian quartz: Implication for protein oscillator in mammalian circadian clockwork (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikari Yoshitane
  • 学会等名: Sapporo Symposium on Biological Rhythm
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rhythmic transcription of Bmal1 stabilizes the circadian timekeeping system in mammals (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikari Yoshitane, Yasuko O. Abe, Dae W. Kim, Jae K. Kim and Yoshitaka Fukada
  • 学会等名: ヨーロッパ時間生物学会EBRS 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Circadian rhythm of protein-protein interactions and post-translational modifications in the clock protein complex (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuta Otobe, Michinori Koebis, Atsu Aiba, Yoshitaka Fukada and Hikari Yoshitane
  • 学会等名: ヨーロッパ時間生物学会EBRS 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Molecules and neural network underlying salt preference (2022)
  • 著者名/発表者名: Shingo Hiroki, Hirofumi Sato, Yu Toyoshima, Llian Mabardi, Hikari Yoshitane, Hinako, Mitsui, Manami Kanamori, Chie Umatani, Shinji Kanda, Mashiro Tomoioka, Koichi,Hashimoto, Hirofumi Kunitomo, Yoshitaka Fukada, Takeshi Ishihara and Yuichi Iino
  • 学会等名: CeNeuro
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A novel type of synaptic plasticity underlies salt chemotaxis learning in C. elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Shingo Hiroki, Hikari Yoshitane, Hinako Mitsui, Hirofumi Sato, Chie Umatani, Shinji Kanda, Yoshitaka Fukada, Yuichi Iino
  • 学会等名: Asia-Pacific Worm Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] A tetracycline antibiotic minocycline prevents early aging phenotypes of heterozygous for RP58 (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Tanaka, Shinobu Hirai, Hiroyuki Manabe, Kentaro Endo, Hiroko Shimbo, Haruo Okado, and Hikari Yoshitane
  • 学会等名: Neuro 2022
  • 国際学会
• [学会発表] molecular basis for mammalian circadian clock oscillation (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuta Otobe, Shunsuke Ito, Michinori Koebis, Atsu Aiba, Yoshitaka Fukada and Hikari Yoshitane
  • 学会等名: 米国時間生物学会SRBR 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 概日時計クオーツ：真核生物でもタンパク質振動子が自律振動する可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉種光
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] 線虫C.elegansにおいてROR/NHR-23の標的遺伝子の転写リズムは発生から概日性の時間スケールへと周波数変調する (2022)
  • 著者名/発表者名: 廣木進吾、飯野雄一、吉種光
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] 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 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉種光
  • 学会等名: 第95回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 時計遺伝子Bmal1のリズミックな転写制御を介した概日時計振動の安定化機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 阿部泰子、吉種光、Dae Wook Kim、川上聖司、古戎道典、中尾和貴、饗場篤、 Jae Kyoung Kim, 深田吉孝
  • 学会等名: 第95回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 時計タンパク質の相互作用リズムと翻訳後修飾コード (2022)
  • 著者名/発表者名: 乙部優太、伊藤舜喬、安藤涼音、古戎道典、饗場篤、深田吉孝、吉種光
  • 学会等名: 第95回 日本生化学会大会
• [学会発表] 「時」を生み出す分子メカニズム (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉種光
  • 学会等名: 千葉大学 生化学特論 第18回生化セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 「時」をビックデータとシステムバイオロジーで理解する (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉種光
  • 学会等名: 東京大学 生物科学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular mechanism of circadian clockwork (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikari Yoshitane
  • 学会等名: The University of Tokyo, Advanced photon life sciences
  • 招待講演
• [学会発表] 「時」を生み出す分子メカニズム (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉種光
  • 学会等名: 東京都立大学 生命科学教室セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Protein-protein interaction of RNA binding proteins induced by anti-viral response (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshimasa Asano, Koji Onomoto, Mitsutoshi Yoneyama, Yuta Otobe, Hikari Yoshitane, Kumiko Ui-Tei
  • 学会等名: 第51回 日本免疫学会学術集会
• [学会発表] Molecular studies on circadian phosphorylation rhythms of CLOCK (2022)
  • 著者名/発表者名: 倉林伸博、乙部優太、吉種光
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] 哺乳類培養細胞を用いた時計の位相同調メカニズムの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤雪、吉種光
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] 高度に同期した時計タンパク質の複合体形成リズムとリン酸化スイッチ (2022)
  • 著者名/発表者名: 乙部優太、古戎道典、饗場篤、深田吉孝、吉種光
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] 時計遺伝子欠損細胞の機能回復実験から迫る時計タンパク質翻訳後修飾の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤舜喬、乙部優太、深田吉孝、吉種光
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] 加齢に伴い概日リズムの出力が破綻する分子基盤の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森村太貴、川上聖司、深田吉孝、吉種光
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] Molecular studies on circadian phosphorylation rhythms of CLOCK (2022)
  • 著者名/発表者名: 浅野吉政、酒井誠之介、尾崎遼、鈴木穣、岩崎渉、吉種光、深田吉孝
  • 学会等名: 第29回 日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] The changes in protein-protein interaction of RNA binding proteins during poly(I:C)-transfection (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshimasa Asano, Koji Onomoto, Mitsutoshi Yoneyama, Yuta Otobe, Hikari Yoshitane, Kumiko Ui-Tei
  • 学会等名: 第45回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] 大腸菌増殖の誘導期におけるATP依存性プロテアーゼClpの関与 (2022)
  • 著者名/発表者名: 保科真樹、吉村美歩、堀野寛佑輝、吉種光、山本兼由
  • 学会等名: 第20回 微生物研究会
• [学会発表] The network of protein-protein interaction during poly(I:C)-transfection (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshimasa Asano, Koji Onomoto, Mitsutoshi Yoneyama, Yuta Otobe, Hikari Yoshitane, Kumiko Ui-Tei
  • 学会等名: 第23回日本RNA学会年会
• [学会発表] カサノリ研究の再興： タンパク質ダイナミクスに基づいた 概日システムの解明へ向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 今井康平, Jen-Yin Cheng, 村中智明, 松尾拓哉
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会 シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 真核生物の概日振動メカニズムを緑藻から探る (2022)
  • 著者名/発表者名: 松尾拓哉
  • 学会等名: 第29回日本時間生物学会学術大会 シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 緑藻クラミドモナスにおける概日時計と多段階リン酸リレーとの関わりについて (2022)
  • 著者名/発表者名: 地宗 克洋、松尾 拓哉、中井 皐太、山本 祐莉、崔 鶴宇、中野侑希、田内 和久ラザルス、羅 嘉傑、片山 琉太、鈴木 智紀、渡邉 智基、大塚 徹寛、青木 摂之
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [備考] 研究室HP
  • URL: https://www.igakuken.or.jp/circadian/index.html