藍藻の「時計たんぱく質」のリズミカルな構造変化を解明－分子時計の鼓動が聴こえる－（プレスリリース）
- 公開日
- 2010年11月27日
- BL45XU（理研 構造生物学I）
2010年11月27日
科学技術振興機構（JST）
名古屋大学
理化学研究所
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JST 課題解決型基礎研究の一環として、名古屋大学 大学院理学研究科の近藤 孝男教授と秋山 修志講師らは、藍藻の時計たんぱく質※1が、あたかも心臓が拍動するかのように形状をリズミカルに膨張・収縮させ、24時間周期で時を刻むことを明らかにしました。藍藻（シアノバクテリア）は生物時計を備えた最も下等な生物で、その時計は3種類の時計たんぱく質（KaiA、KaiB、KaiC）からなります。本研究グループは、これまでの研究から、この3つの時計たんぱく質ATP※2存在下で混合すると、KaiCのATP加水分解酵素（ATPase）活性やリン酸化状態が24時間周期で振動することを示してきました。このことは、KaiCのATPase活性が生物時計の周期を規定する重要な因子であると考えられ、ATPase活性の増減に伴ってKaiCの分子形態がどのように変動するのか、その分子機構の解明が期待されていました。 本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。 本研究成果は、2010年11月26日（英国時間）に欧州科学雑誌「The EMBO Journal 」のオンライン速報版で公開されます。 （論文） |
1．研究の背景と経緯
多くの生物に見られる生物時計は、代謝や光合成といった重要な生命活動を昼夜環境サイクルに同調させるための基礎的な制御機構です。時計機能を支える時計たんぱく質や遺伝子が損傷を受けると、細胞内の広範な生理活性調節にまで障害が及び、重篤な病気の引き金となることが指摘されています。生物時計の動作原理について理解を深めることは、私たち人間を含めた生物の生活の質を維持向上させることにつながります。
シアノバクテリアは生物時計を備えた最も下等な生物で、その時計は3種類の時計たんぱく質（KaiA、KaiB、KaiC）からなります。3つの時計たんぱく質とATPを試験管内で混合すると、KaiCのATPase活性やリン酸化状態が24時間周期で振動します。これまでの研究から、KaiCのATPase活性が生物時計の周期を規定する重要な因子であることが強く示唆されていました。KaiCがペースメーカーの役割を担うなら、他の時計たんぱく質に時刻情報を伝えるため、KaiCは自ら状態や構造を変化させると予測されます。しかし、すでに解明されていたKaiCのＸ線結晶構造からは、その変化を捉えることができませんでした。本研究グループはその理由を、時を刻むKaiCの構造は柔軟であるため、結晶という形態に整列させると分子の本来あるべき姿が損なわれるからではないかと考えました。
2．研究の内容
本研究グループの秋山講師らは今回、これまでにJST個人型研究（さきがけ）「生命現象と計測分析」（研究総括：森島 績）研究領域における研究課題「時間と共に離合集散を繰り返す分子機械のＸ線小角散乱・動的構造解析」で培ったＸ線小角散乱による動的構造解析法を駆使し、ATPase活性に連動したKaiCの形状変化を結晶ではなく溶液中で詳しく検証しました。
KaiCを溶液に入れ、その状態を実時間で追跡したところ、ATPase活性、リン酸化状態、分子形状を互いに連動させつつ、KaiCが４つの状態を経由することが明らかになりました（図1）。KaiCの二重リング状構造のうち、C1リングのATPase活性と密に連動して、C2リングが大きく膨張・収縮を繰り返します。この状態変化はKaiC単独で調べたものですが、実際にKaiAやKaiBが共存する振動反応においても、KaiCが同様の構造転移を起こすことが蛍光分光法で確認されています（図2）。
これらはKaiCの構造変化を捉えた世界初の観察であり、KaiCがペースメーカーの役割を担っていることを強く支持します。C2リングの膨張は、KaiAやKaiBをKaiCに引きつけるタイミング信号の役割も兼ねており、安定なKaiA：KaiB：KaiC複合体の形成を促します（図3）。ATPase活性から来る基準信号をC2リングの形状変化へと変換し、さらにそれを通じてKaiAやKaiBの結合・解離と連動させることで、より頑強で安定な24時間発振を実現しているものと考えられます。
3．今後の期待
今回の成果は、Kaiたんぱく質時計の中核をなす振動子が「チクタク…」と時を刻む様子を捉えたものであり、時計機能を発現するための基本要素がKaiCに内包されていることを強く支持するものです。今後、ATPase活性とKaiCの鼓動をリンクする仕組みについて分解能を空間と時間の両次元に高めつつ検証することで、「24時間を規定する構造生物学的からくり」に迫ることができると期待されます。今のところ、KaiCのような機能を有するたんぱく質が見いだされているのはシアノバクテリアのみですが、ATPを使ったタイミング制御は人間を含めた高等生物でも姿形を変えて存在している可能性があり、今後の生物時計研究の手がかりになるものと期待されます。
《参考資料》
灰色部分はＸ線小角散乱により解明されたKaiCの分子形状を表す。リボンモデルはＸ線小角散乱の実験データに合致するよう、既知のＸ線結晶構造を使って構築した高分解能分子モデル。W331およびW462は、C2リングのトリプトファン残基の位置を示している。各モデルの直下には、C2リングのみを投影した等高線図が示されている。ＡからＢ状態への変化ではC2リングの大きさはあまり変化しない。しかしＢからＣ状態へ遷移する際、C2リング半径が大きく膨らむことが、等高線図の谷が深くなっている点からも読み取れる。 C2リングの膨張収縮運動はC1リングのATPase活性の増減と共役している。
KaiAやKaiBが存在する条件下で、KaiCのC2リングにあるトリプトファン残基（図1：W331およびW462）の蛍光強度の変化を計測した。図中のKaiCに記されている星印の大小は、トリプトファン残基からの蛍光強度の大小を模式的に表現している。 図1に示されるようなC2リングの膨張収縮具合に応じ、W331やW462の強度も24時間の周期で増減を繰り返す。
C1リングにあるATPaseの制御状態は、C2リングの膨張収縮状態と共役しており、その分子鼓動を指針にKaiAやKaiBは離合集散のタイミングを計っている。結合したKaiAやKaiBはATPase活性に変調を与え、反応サイクルをより力強く安定に保っている。
《用語解説》
※1 時計たんぱく質
生物が時計機能を維持するために必須となるたんぱく質の総称である。時計たんぱく質の変異や欠損により、生物のさまざまな行動において、リズム特性が変調を受ける。
※2 ATP
アデノシン三リン酸（Adenosine Triphosphate）のことで、筋肉が収縮するときなどにエネルギー源として利用される物質。生物体で用いられるエネルギー保存および利用に用いられるヌクレオチドであり、その生物体内の存在量や物質代謝における重要性から「生体のエネルギー通貨」と呼ばれる。アデノシンという物質に3つのリン酸基が結合した形をしているが、ATP加水分解酵素の働きによって、リン酸基がはずされて分解される。１つのリン酸基がはずれる毎に、約８kcal/molのエネルギーを放出する。
※3 大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高輝度の放射光を生み出す理化学研究所の共同利用施設。その名前は、Super Photon ring-8GeVに由来する。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、物理、化学、地学などの基礎研究から、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。
※4 Ｘ線小角散乱法
Ｘ線を物質に照射して散乱するＸ線のうち、散乱角が小さいものを測定することにより物質の構造情報を得る手法で、たんぱく質や核酸などの生体高分子、微粒子や液晶、合金の内部構造といった数ナノメートルレベルでの構造解析に用いられる。
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《問い合わせ先》 名古屋大学 大学院理学研究科 生命理学専攻 教授 （JSTの事業に関すること） （SPring-8の理研ビームラインに関すること） （報道担当） 名古屋大学 広報室 理化学研究所 広報室 報道担当 （SPring-8に関すること） |
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