革新的な機能調節化合物の創製による概日時計システムの統合的な理解と制御

概日時計は多様な生理機能の日内リズムを支配し、その攪乱は睡眠障害などの現代疾患に関連する。本研究は概日時計の分子解析から、生物がどのように時間を計るのかという本質的な謎を解明し、概日リズムの変調と諸疾患を時間の観点から理解することを目指す。この重要課題に対して、時計機能の操作技術の開発が突破口を開くと考え、ケミカルバイオロジーを応用した研究を行う。申請者が世界に先駆けて発見した独自の時計調節化合物を用い、新たな時計タンパク質の発見や、概日リズムの時空間制御を可能にする新技術を開発する。これらの革新的な技術を用いて、結晶構造解析による分子メカニズム解析から組織・個体における機能制御を統合的に行い、従来の分子遺伝学研究を超えて概日時計システムの作動原理を徹底解剖する。本年度は光スイッチであるアゾベンゼンを時計調節化合物のlongdaysinに導入した化合物を用いて、CKIの活性と細胞集団の概日リズム周期を光によって可逆的に制御することに成功した。さらに、CRY1とCRY2のそれぞれにアイソフォーム選択的に作用する化合物のKL101とTH301について、化合物結合ポケットにおける内在的な違いに注目して構造解析を進めた。その結果、ゲートキーパーと名付けたトリプトファンの向きの違いがアイソフォーム選択性を生み出すことを見出した。すなわち、トリプトファンがCRY1では外に、CRY2では内に向いており、それぞれのトリプトファンと特異的に相互作用しているアミノ酸をアラニンに置換したところ、KL101とTH301への選択性が逆転することを明らかにした。

概日時計は多様な生理機能の日内リズムを支配し、その攪乱は睡眠障害などの現代疾患に関連する。本研究は概日時計の分子解析から、生物がどのように時間を計るのかという本質的な謎を解明し、概日リズムの変調と諸疾患を時間の観点から理解することを目指す。この重要課題に対して、時計機能の操作技術の開発が突破口を開くと考え、ケミカルバイオロジーを応用した研究を行う。申請者が世界に先駆けて発見した独自の時計調節化合物を用い、新たな時計タンパク質の発見や、概日リズムの時空間制御を可能にする新技術を開発する。これらの革新的な技術を用いて、結晶構造解析による分子メカニズム解析から組織・個体における機能制御を統合的に行い、従来の分子遺伝学研究を超えて概日時計システムの作動原理を徹底解剖する。本年度は光スイッチであるアゾベンゼンを時計調節化合物のlongdaysinに導入した化合物を用いて、CKIの活性と細胞集団の概日リズム周期を光によって可逆的に制御することに成功した。さらに、CRY1とCRY2のそれぞれにアイソフォーム選択的に作用する化合物のKL101とTH301について、化合物結合ポケットにおける内在的な違いに注目して構造解析を進めた。その結果、ゲートキーパーと名付けたトリプトファンの向きの違いがアイソフォーム選択性を生み出すことを見出した。すなわち、トリプトファンがCRY1では外に、CRY2では内に向いており、それぞれのトリプトファンと特異的に相互作用しているアミノ酸をアラニンに置換したところ、KL101とTH301への選択性が逆転することを明らかにした。