2021 Fiscal Year Annual Research Report
An Integrated Multi-scale Approach for Studying Cyanobacterial Circadian Clock System
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17H06165
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
秋山 修志 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 教授 (50391842)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤原 悟 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 専門業務員 (10354888)
上久保 裕生 奈良先端科学技術大学院大学, デジタルグリーンイノベーションセンター, 教授 (20311128)
古池 美彦 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 助教 (70757400)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 概日時計 / 温度補償性 / KaiC / ATPase / リン酸化 / アロステリー / リズム / シアノバクテリア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シアノバクテリア概日時計システムの中核となるKaiCを統合的多階層アプローチにより解析し、概日時計を特徴づける3つの生理学的性質(概日周期での自律的発振、周期の温度補償性、同調能)の構造基盤を原子レベルで解明した。
我々は、C2ドメインに位置するS431とT432のリン酸化修飾サイクルを網羅する4状態のKaiCを結晶化し、S431のリン酸化／脱リン酸化に伴うヘリックス・コイル転移(Phospho Switch, 以下PSw)を特定した。さらに、PSwの構造転移が、C1-ATPaseのATP/ADPヌクレオチド交換と密に共役していることも突き止めた。これらの発見によって、周期を規定するC1-ATPaseサイクルとC2-リン酸化サイクルの共役基盤が解明された。また、KaiCの振動性に必須となる最小単位のアロステリーを特定した。具体的には、T432のリン酸化を完全に阻害しても、「S431のリン酸化／脱リン酸化によるPSwの構造転移」と「C1-ATPase」が共役している限り、温度補償された概日リズムがin vitro再構成系(KaiA + KaiB + KaiC)および細胞系で維持されることを実証した。これらの構造基盤をもとに、KaiC単体の物理化学的特性がin vitro再構成系や細胞系にまで伝播するクロス・スケール性を徹底究明した。
シアノバクテリアを対象とした本成果は、概日リズムの基本原理を原点に立ち返って議論する機会を提供するとともに、より長周期の概月～概年リズムの設計原理に指針を与えるものである。KaiCの温度補償されたATPaseがKaiC分子内外で自律制御されることで、「概日時計の生理学的3性質」が特定の位相で顕在化することを証明した成果は、今後、哺乳類の時計タンパク質を含めた統一的理解に大きく貢献するものである。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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