概日性Ca2+振動を担う分子的基盤の解明

概日時計のメカニズム研究は時計遺伝子の発見を皮切りに1990年代から爆発的に進み、動物や植物においては転写フィードバックループモデルが定着した。一方、シアノバクテリアにおいてはリン酸化時計こそが中心であることが解明され、種によって振動メカニズムは大きく異なると認識された。しかし10年ほど前から、転写ループが機能しない動物細胞でもレドックス等のリズム現象が報告されるなど、全ての生物種で共通する振動体の存在を示唆するデータが相次いでいる。研究代表者は、哺乳類の概日時計の温度補償性 (時計の発振速度が生理的温度範囲で一定に保たれる性質) の研究の中で、転写ループは、細胞膜のイオン輸送タンパクであるNa+/Ca2+ exchanger (NCX) およびCa2+/Calmodulin protein kinase II (CaMKII)によって強く制御されていることを見出した。また、細胞内Ca2+振動は転写ループが停止している時計遺伝子欠損細胞でも観察されることが分かってきており、Ca2+振動は転写ループの上流振動体として働くコア振動体であることが示唆された。そこで本研究では、まず、非興奮性の細胞においても概日性のCa2+リズムが存在するのか否かを検証するために、培養細胞における概日Ca2+リズムの測定系を構築した。結果として、時計遺伝子Per2の発現ピークに先行するCa2+リズムが培養細胞においても観察されることが分かった。そして、この概日性のCa2+リズムは、Ca2+/cAMP応答配列や転写因子NFAT結合に依存した転写リズムを駆動することが分かった。さらに、600種類のイオンチャネル阻害剤ライブラリを用いて、培養細胞における概日Ca2+リズムの生成に関わる分子種の探索を行ったところ、いくつかのイオンチャネルが概日リズムの生成に重要であることが分かってきた。

概日時計のメカニズム研究は時計遺伝子の発見を皮切りに1990年代から爆発的に進み、動物や植物においては転写フィードバックループモデルが定着した。一方、シアノバクテリアにおいてはリン酸化時計こそが中心であることが解明され、種によって振動メカニズムは大きく異なると認識された。しかし10年ほど前から、転写ループが機能しない動物細胞でもレドックス等のリズム現象が報告されるなど、全ての生物種で共通する振動体の存在を示唆するデータが相次いでいる。研究代表者は、哺乳類の概日時計の温度補償性 (時計の発振速度が生理的温度範囲で一定に保たれる性質) の研究の中で、転写ループは、細胞膜のイオン輸送タンパクであるNa+/Ca2+ exchanger (NCX) およびCa2+/Calmodulin protein kinase II (CaMKII)によって強く制御されていることを見出した。また、細胞内Ca2+振動は転写ループが停止している時計遺伝子欠損細胞でも観察されることが分かってきており、Ca2+振動は転写ループの上流振動体として働くコア振動体であることが示唆された。そこで本研究では、まず、非興奮性の細胞においても概日性のCa2+リズムが存在するのか否かを検証するために、培養細胞における概日Ca2+リズムの測定系を構築した。結果として、時計遺伝子Per2の発現ピークに先行するCa2+リズムが培養細胞においても観察されることが分かった。そして、この概日性のCa2+リズムは、Ca2+/cAMP応答配列や転写因子NFAT結合に依存した転写リズムを駆動することが分かった。さらに、600種類のイオンチャネル阻害剤ライブラリを用いて、培養細胞における概日Ca2+リズムの生成に関わる分子種の探索を行ったところ、いくつかのイオンチャネルが概日リズムの生成に重要であることが分かってきた。