<88E38A778E478E8F D322E6D6364>

Size: px

Start display at page:

Download "<88E38A778E478E8F3130332D322E6D6364>"

しなつてらわ
7 years ago
Views:

1 福岡医誌 103(2):29 34, 総説体内時計と光周性 1) 九州大学大学院医学研究院臨床検査医学分野 2) カリフォルニア大学サンディエゴ校生物科学部澤真理子 1)2),Steve A. Kay 2) はじめに体内時計は地球上の多くの生物に見出される分子機構であり, 昼夜の環境変化に個体の生理現象を適応させる重要な役割を担っている. 体内時計は, 一日のリズムを生み出すばかりではなく, 日長の変化に応答した光周性の基盤ともなっている. 本稿では体内時計の概要と, 分子レベルでの解明が最も進んでいる, モデル植物シロイヌナズナにおける光周性花成を具体例として光周性の分子メカニズムについて紹介する. 1. 体内時計地球上の生物は, 地球の自転に伴い昼夜の明暗サイクルや温度の変動といった規則的な環境の変化にさらされている.このような環境の変化に適応し個体の生命活動を効率的に行うために, 菌類, 藻類, 植物, 動物など多くの生命は体内時計という分子機構をもとに様々な生理現象を制御している 1). 体内時計は, 光や温度, 食事といったシグナルにより同調され,リズムを発振し, 様々な生理現象を時間特異的に制御する( 図 1). 体内時計と環境シグナルは密接に関係しているが,その一方で体内時計の大きな特徴のひとつは, 一定の環境でもリズムを刻み続ける点である.この特徴により, 生命は一過的な環境の変化に惑わされずに個体の生命現象を持続することができる.さらに, 体内時計を持つことで,これから起こることが予想される環境の変化に対し, 準備をすることが可能になる. 例えば, 動物では体温, 摂食, 代謝, 睡眠と覚醒のサイクルなど様々な生理現象が体内時計により制御されている 2). 植物では, 胚軸の伸長や葉の上下運動, 気孔の開閉が体内時計の制御下にあることが知られている 3)4).アカパンカビの増殖パターンは体内時計の制御下にあり, 明暗のサイクルのない条件及び温度が一定な条件下でも日周期的な増殖を示す.この現象は, 昼間の紫外線を避け夜間にDNA の複製を行うことで, 遺伝情報をより安定的に伝達した結果と考えられる.さらには, 地球の自転の影響しない宇宙空間においてもアカパンカビは, 約 23 時間の周期を保つことが報告されている 5). 最近,ソマリアの光の届かない地下洞窟に数百万年前から生息する魚にも体内時計が存在することが報告された 6).この魚は, 光受容体に変異がある上に目が退化しており, 全く光に応答しない.しかし, 餌によって体内時計を同調させ約 47 時間の体内リズムを持ち続けている.この様に, 生物の種や生息する環境に関わらず, 体内時計は地球上の多くの生命活動に密着した機構といえる. 体内時計の基本構造は, 遺伝子発現のフィードバックループから成り立つ 7).このフィードバックループを構成する因子は, 動物, 植物, 菌類で大きく異なる 1). 哺乳類では CRYPTOCHROME(CRY)1,2, PERIOD(PER)1,2,BRAIN ANDMUSCLE ARNT-LIKE PROTEIN(BMAL)1,CLOCK が主要因子であることが良く知られている.BMAL1 と CLOCK は二量体を形成し CRY,PER 遺伝子の発現を活性化する 8). 一方で,CRY,PER タンパク質は BMAL1,CLOCK の働きを抑える.そのため,BMAL1, Mariko SAWA 1)2) and Steve A. Kay 2) 1) Department of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine, Graduate School of Medical Sciences, Kyushu University 2) Section of Cell and Developmental Biology, Division of Biological Sciences, and the Center for Chronobiology, University of California, San Diego Circadian Clocks and Photoperiodism

本稿では体内時計の概要と, 分子レベルでの解明が最も進んでいる, モデル植物シロイヌナズナにおける光周性花成を具体例として光周性の分子メカニズムについて紹介する. 1.

2 30 澤図１真理子 Steve A. Kay 体内時計の模式図体内時計は遺伝子発現のフィードバックループから成り立ちリズムを発振し様々な出力系現象体温の変動や睡眠と覚醒のリズムなどを制御する体内時計は光の質や量日長の長さ温度食事といった入力系シグナルによりリセットされる発振系では体内時計を構成する因子がいつ発現するかによって時間という概念が生み出される発振系を担う因子は生物種によって大きく異なるが複数の遺伝子発現のフィードバックループから成り立つという点では保存性が見出される CLOCK により発現が誘導された CRY PER は自身の発現を減速させる植物では全く異なる因子が体内時計を構築している植物の体内時計では午前中に発現のピークを迎える遺伝子 LATE ELONGATED HYPOCOTYL LHY や CIRCADIAN CLOCK ASSOCICATE CCA 1 が夕方から発現する TIMING OF CAB TOC 1 や GIGATEA GI などの遺伝子の発現を抑制している9) 夕方から発現する遺伝子群のプロモーター領域にはイブニングエレメントと呼ばれる保存された配列がみいだされ LHY や CCA1 はその配列を認識し抑制的に機能するとされている10) 一方夕方発現する時計因子は午前中に発現する遺伝子の誘導に関わる実際にはさらに多くの因子が体内時計の構成因子として幾重にもなるフィードバックループを組み概日リズムを生み出しているさらに体内時計の遺伝子発現機構ではクロマチン構造レベルの制御も重要である11)12) また概日リズムの構築には遺伝子発現のみではなくタンパク質の安定性や修飾も重要である13)14) ２光周性赤道直下の地域を除き地球上の生命は一年を単位とした規則的な日長の変化のもとで生存している日長の変化はこれから訪れる季節の変化を予測する上で重要な手がかりとなるなぜならば温度やその他の環境の要因は年により大きく変動するが日長の変化はぶれることがないからである日長の変化に応答した現象は光周性と呼ばれる動物の繁殖の時期や毛変わり鳥の渡りなど様々な光周性が知られている体内時計のもうひとつの重要な側面はこのような光周性の基盤となっている点である光周性は植物で初めて報告され現在のところモデル植物シロイヌナズナにおける光周性花成の分子機構が光周性のなかで最も分子レベルでの解明が進んでいる15) シロイヌナズナは長日条件下明期が暗期よりも長い条件で花を咲かせる光周性花成これまでの研究から体内時計を構成する因子の変異体の多くが花成時期に異常を示すことから体内時計と光周性花成の関連が示唆されてきた16) 体内時計をもとにどのように日長の変化を感知して生理現象を制御するのかを説明するために外的符号モデルと内的符号モデルという二つのモデルが提唱されている図２外的符号モデルとは日長条件と内在性のシグナルがある日長条件下のみで一致しシグナルが誘導されるというものである一方の内的符号モデルとは内在性のシグナルがある日長条件下のみで一致するというものであるシロイヌナズナの花芽形成は長日条件特異的に CONSTANS CO が花芽誘導ホルモンである FLOWERING LOCUST FT の発現を活性化することで誘導される17) CO 遺伝子の発現は体内時計の制御下にあり午後にピークを迎えるさらに CO タンパク質の安定性と活性は光依存

複数の遺伝子発現のフィードバックループから成り立つという点では保存性が見出される CLOCK により発現が誘導された CRY PER は自身の発現を減速させる植物では全く異なる因子が体内時計を構築している植物の体内時計では午前中に発現のピークを迎える遺伝子 LATE ELONGATED HYPOCOTYL LHY や CIRCADIAN CLOCK ASSOCICATE CCA 1 が

3 体内時計により日長変化を感知する分子機構図２ 31 日長の違いを感知するための機構モデル長日条件特異的な応答の場合光周性のメカニズムとして二つのモデルが提唱されている外的符号モデルとは環境シグナル例として光と内在性のシグナル X の同調により誘導シグナルがオンになるというモデル短日条件下では X の発現ピークが明期と一致しないために誘導シグナルが十分に活性化されない一方長日条件では X の発現ピークが明期が一致することで誘導シグナルが活性化される内的符号モデルとは内在性のシグナル X と Y の同調によるシグナル誘導機構短日条件の場合 X と Y のピークがずれるので誘導シグナルが弱い一方長日条件では X と Y の発現時間帯が一致し誘導シグナルがオンになる光周性の例として哺乳類の冬眠鳥の渡り植物の花芽形成などがあげられるシロイヌナズナは長日条件で花芽形成が誘導される図３光周性花成には３段階の符号が重要である (a CO 遺伝子発現の制御図 CO 遺伝子は午後に発現ピークを迎える朝方は CDF1 により発現が抑えられている午後になり GI および FKF1 が発現し複合体を形成すると CDF1 の分解が誘導され CO 遺伝子の発現が促されるこれまでのところ CO 遺伝子発現を直接活性化する因子は同定されていない GI-FKF1 複合体には他の因子が結合している可能性も考えられる図中 X (b GI-FKF1 複合体の形成は ① FKF1 の発現と明期の外的符号 ② GI と FKF1 の発現の内的符号 ③ CO 発現と明期の外的符号という３つの符号により制御されている的であることから長日条件下でのみ CO の発現ピークが明期にあたり CO タンパク質が機能するこの機構は外的符号モデルにもとづいた制御機構といえる18) CO 遺伝子発現に関しては植物の体内時計中枢因子 GIGANTEA GI と体内時計により発現が制御されている F-box タンパク質 FLAVIN-BINDING KELCH REPEAT F-BOX 1 FKF1 および Dof ファミリータンパク質 CYCLING DOF FACTOR CDF1 が重要であることが報告されていた19)~21) CDF1 は朝方発現し CO 発現を抑制する FKF1 は午後に発現ピークを迎え光依存的に CDF1 のユビキチン化および分解を誘導するそのため CDF1 のタンパク質量は FKF1 が発現のピークを迎える午後に減衰しそれに伴い CO 発現が誘導される図３花成が誘導されない短日条件下では CO 発現は日没後にピークを迎え CO タンパク質が安定化されず機能しない一方花成誘導条件である長日条件では CO 発現のピーク時が明期にあるそのため CO タンパク質が花成ホルモンである FT 発現を促し花成が誘導されるつまり CO 発現のピークが

シロイヌナズナは長日条件で花芽形成が誘導される図３光周性花成には３段階の符号が重要である (a CO 遺伝子発現の制御図 CO 遺伝子は午後に発現ピークを迎える朝方は CDF1 により発現が抑えられている午後になり GI および FKF1 が発現し複合体を形成すると CDF1 の分解が誘導され CO 遺伝子の発現が促されるこれまでのところ CO 遺伝子発現を直接活性

4 32 澤図４真理子 Steve A. Kay 光周性花成を担う因子のタンパク質 GI と FKF1 の発現パターンと結合形式22) (a) 短日および長日条件下における GI と FKF1 タンパク質の発現パターン下３段内在性プロモータの制御下で TAP 標識した GI または HA 標識した FKF1 を発現させ個体内でのタンパク質発現パターンを３時間ごとに観察した GI と FKF1 の発現ピークは長日条件ではほぼ一致していた一方短日条件化では GI の発現ピーク図中ピンクの星印が約６時間早まり FKF1 の発現ピーク水色星印とはずれが生じている (b) GI および FKF1 の内在性の発現パターンの模式図 GI の発現ピークが短日条件下では早まり FKF1 との複合体が長日条件下に比べると短時間に抑えられている花成を誘導する長日条件では GI と FKF1 の内的符号がおきているといえる FKF1 と GI の複合体系性には光が必要である外的符号の必要性そのため長日条件では GI と FKF1 が明期の同じ時間帯に発現ピークを迎えることで GI と FKF1 の結合は長日条件でおり多く観察されると考えられる図４(a) 上２段ある一定の時刻に保たれていることが日の長さを識別する鍵となっているさらに筆者らの解析から CO 遺伝子発現に重要な FKF1 による CDF1 分解には GI と FKF1 の光依存的な複合体形成が必須であることが分かった22) 興味深いことに GI と FKF1 のタンパク質の発現ピークは長日条件ではほぼ一致するが短日条件ではピークの時期がずれ複合体の形成量が長日条件に比べ減少する図４つまり CO による花成誘導は ① GI と FKF1 光依存的な複合体形成外的符号 ② GI と FKF1 の発現時間帯の一致内的符号さらに③ CO 発現と光という外的符号の３つの符号により成り立っているといえる図３これまで光周性花成は CO 発現と光の有無という外的符号で討論されてきたしかし CO 発現の時間的制御には更なる外的符号と内的符号が存在したこのように幾つかの制御機構が日長変化に伴って微妙に変化しつつお互いの均衡点で個々の標的遺伝子がいつ発現するかという時間を決めているのかもしれない３今後の課題体内時計は細胞レベル組織レベルそして個体レベルと様々な階層で機能している23) 特に哺乳類ではあらゆる細胞が独自の体内時計をもつことが示されているその中で視交叉上核は目からの光情報を受け取り個体レベルでの時計中枢として機能しているしかし肝臓の体内時計は視交叉上核からのシグナルではなく食事によりリセットされることも明らかである24) 一細胞のもつ概日リズムがどのように組織レベルでまた個体レベルで統合されているのかについてはまだ不明な点が多い一方で概日リズムが乱れると個体レベルでも様々な障害で起こる26) 異なる時間帯の地域への移動や夜間労働は疲労不眠など身体機能に負の影響を与える特に長期的な概日リズムの乱れは心疾患のリスクを高める体内時計

ほぼ一致していた一方短日条件化では GI の発現ピーク図中ピンクの星印が約６時間早まり FKF1 の発現ピーク水色星印とはずれが生じている (b) GI および FKF1 の内在性の発現パターンの模式図 GI の発現ピークが短日条件下では早まり FKF1 との複合体が長日条件下に比べると短時間に抑えられている花成を誘導する長日条件では GI

5 体内時計により日長変化を感知する分子機構 33 がどのように一細胞から組織, 個体レベルで統合されていくのかを知ることは,24 時間化の進んだ現代社会の中で重要な課題ともいえる.ヒトの光周性に関わる障害としては, 季節性感情障害や統合失調症が知られている. 植物の体内時計の中枢機構は動物との保存性は少ないが, 植物は地球上の主な酸素の供給者であり, 多くの生物の生存に欠かせない.また, 植物は食料として人類の存続必須であるばかりではなく, 生薬, 抗体産生など生命科学の分野で有用資源として広く活用されている. 植物の生産性は, 個体が 24 時間の周期で栽培されたときに最大化することが報告されている 25). 体内時計は生物種を問わず, 地球上の生命の基盤と直結しているといえる. 今後, 様々な生物種での体内時計の仕組みが明らかにされることが期待される. 参考文献 1 Bell-Pedersen D, Cassone, VM, Earnest, DJ, Golden, SS, Hardin, PE, Thomas, TL and Zoran, MJ : Circadian rhythms from multiple oscillators : lessons from diverse organisms : Nat Rev Genet : 6 : : Bass J and Takahashi, JS : Circadian integration of metabolism and energetics : Science : 330: : Harmer SL : The circadian system in higher plants : Annu Rev Plant Biol : 60 : : ) McClung CR : The genetics of plant clocks : Adv Genet : 74 : : ) Sulzman FM, Ellman, D, Fuller, CA, Moore-Ede, MC and Wassmer, G : Neurospora circadian rhythms in space : a reexamination of the endogenous-exogenous question : Science : 225 : : ) Cavallari N, Frigato, E, Vallone, D, Frohlich, N, Lopez-Olmeda, JF, Foa, A, Berti, R, Sanchez-Vazquez, FJ, Bertolucci, C and Foulkes, NS: A blind circadian clock in cavefish reveals that opsins mediate peripheral clock photoreception : PLoS Biol : 9 :e : ) Young MW and Kay, SA : Time zones : a comparative genetics of circadian clocks: Nat Rev Genet : 2 : : ) Gekakis N, Staknis, D, Nguyen, HB, Davis, FC, Wilsbacher, LD, King, DP, Takahashi, JS and Weitz, CJ : Role of the CLOCK protein in the mammalian circadian mechanism : Science : 280 : : ) Pruneda-Paz JL, Breton, G, Para, A and Kay, SA : A functional genomics approach reveals CHE as a component of the Arabidopsis circadian clock : Science : 323 : : ) Harmer SL, Hogenesch, JB, Straume, M, Chang, HS, Han, B, Zhu, T, Wang, X, Kreps, JA and Kay, SA : Orchestrated transcription of key pathways in Arabidopsis by the circadian clock : Science : 290 : : ) Grimaldi B, Nakahata, Y, Kaluzova, M, Masubuchi, S and Sassone-Corsi, P : Chromatin remodeling, metabolism and circadian clocks : the interplay of CLOCK and SIRT1 : Int JBiochem Cell Biol : 41 : : ) DiTacchio L, Le, HD, Vollmers, C, Hatori, M, Witcher, M, Secombe, J and Panda, S : Histone lysine demethylase JARID1a activates CLOCK-BMAL1 and influences the circadian clock : Science : 333 : : ) Iwasaki H, Nishiwaki, T, Kitayama, Y, Nakajima, M and Kondo, T : KaiA-stimulated KaiC phosphorylation in circadian timing loops in cyanobacteria : Proc Natl Acad Sci U SA:99 : : ) Querfurth C, Diernfellner, AC, Gin, E, Malzahn, E, Hofer, T and Brunner, M : Circadian conformational change of the Neurospora clock protein FREQUENCY triggered by clustered hyperphosphorylation of a basic domain : Mol Cell : 43 : : ) Kobayashi Y and Weigel, D : Move on up, it's time for change--mobile signals controlling photoperiod-dependent flowering : Genes Dev : 21 : : ) Yanovsky MJ and Kay, SA : Living by the calendar : how plants know when to flower : Nat Rev Mol Cell Biol : 4 : : ) Suarez-Lopez P, Wheatley, K, Robson, F, Onouchi, H, Valverde, F and Coupland, G : CONSTANS mediates between the circadian clock and the control of flowering in Arabidopsis : Nature : 410 : : ) Valverde F, Mouradov, A, Soppe, W, Ravenscroft, D, Samach, A and Coupland, G : Photoreceptor regulation of CONSTANS protein in photoperiodic flowering : Science : 303 : : ) David KM, Armbruster, U, Tama, N and Putterill, J : Arabidopsis GIGANTEA protein is post-transcriptionally regulated by light and dark : FEBS Lett:580 : : ) Imaizumi T, Schultz,TF, Harmon, FG, Ho, LA and Kay, SA : FKF1 F-box protein mediates cyclic degradation of a repressor of CONSTANS inarabidopsis : Science : 309 : : 2005.

また, 植物は食料として人類の存続必須であるばかりではなく, 生薬, 抗体産生など生命科学の分野で有用資源として広く活用されている. 植物の生産性は, 個体が 24 時間の周期で栽培されたときに最大化することが報告されている 25).

6 34 澤真理子 Steve A. Kay 21) Imaizumi T, Tran, HG, Swartz, TE, Briggs, WR and Kay, SA : FKF1 is essential for photoperiodic-specific light signalling in Arabidopsis : Nature : 426 : : Sawa M, Nusinow, DA, Kay, SA and Imaizumi, T : FKF1 and GIGANTEA complex formation is required for day-length measurement in Arabidopsis : Science : 318 : : Doherty CJ and Kay, SA : Circadian Control of Global Gene Expression Patterns : Annu Rev Genet : 44 : : ) Stokkan KA, Yamazaki, S, Tei, H, Sakaki, Y and Menaker, M : Entrainment of the circadian clock in the liver by feeding : Science : 291 : : ) Dodd AN, Salathia, N, Hall, A, Kevei, E, Toth, R, Nagy, F, Hibberd, JM, Millar, AJ and Webb, AA : Plant circadian clocks increase photosynthesis, growth, survival, and competitive advantage : Science : 309 : : ) Takahashi JS, Hong, HK, Ko, CH and McDearmon, EL : The genetics of mammalian circadian order and disorder : implications for physiology and disease : Nat Rev Genet : 9 : :2008. ( 参考文献のうち, 数字がゴシック体で表示されているものについては, 著者により重要なものと指定された分です.)

23 Doherty CJ and Kay, SA : Circadian Control of Global Gene Expression Patterns : Annu Rev Genet : 44 : 419-444 : 2010.

Microsoft PowerPoint - 報告書(概要).ppt

Microsoft PowerPoint - 報告書(概要).ppt 市町村における地方公務員制度改革に係る論点と意見について ( 概要 ) 神奈川県市町村における地方公務員制度改革に係る検討会議について 1 テーマ地方公務員制度改革 ( 総務省地方公務員の労使関係制度に係る基本的な考え方 )の課題の整