キャリー・パーチが最初の発見をしたのは、ポスドクの末期だった。構造生物学者は、ヒトタンパク質のデータベースを調べていて、彼女が研究していたものと一部を共有しているものに注目していました. 「私は、『これらすべてを知っておくべきだ』と考えて、それをめくっていました」と彼女は回想します。 「その後、これが登場しましたが、これまでに見たことのないドメイン アーキテクチャを持っていました。」彼女はさらに、その機能が不明なPASD1と呼ばれるタンパク質を調べました。彼女は、それが似ているいくつかのタンパク質の中に、CLOCKと呼ばれるものがあることを発見しました.そしてそれが彼女をよりまっすぐに座らせました — CLOCK は非常に大きく、神秘的なプロセスの中心にあるからです.
パーチが知っていたように、体のほぼすべての組織のほぼすべての細胞が時間を刻んでいることが明らかになったのは、それほど昔のことではありませんでした。 24時間ごとに、生化学的なラッパの鳴き声に反応して、一握りのタンパク質が細胞の核に集まります。それらがゲノム上で互いに結合すると、比類のない影響力を持つチームになります。それらの影響下で、何千もの遺伝子がタンパク質に転写されます。細胞の歯車が動き始め、組織が生き返り、有機体のレベルでは、目を開けて朝食に少し空腹を感じます.
光と闇に反応する脳の一部から手がかりを得るこれらの時間管理タンパク質複合体は、概日時計として知られています.いくつかの見積もりによると、それらは体内の遺伝子の 40% の発現を調節します。研究者たちは、概日時計が胎児の発育から病気まで、あらゆることに深い影響を与えるという証拠を蓄積しています。概日時計は非常に遍在しており、個々の細胞の機能にとって非常に重要であるため、研究が時計にあまり関係していない生物学者は、時計が自分の仕事にどのように影響するかを認識し始めています.ハーバード大学医学部の分子生物学者であるチャールズ・ワイツは、「彼らはますます時計の構成要素に出くわしています。 「それは私を驚かせません。」
時計のない細胞はほとんどありませんが、胚性幹細胞やがんなどの生物学的に説得力のある例が含まれています。分子時計がどのように機能するか、また、時として停止しているように見える理由を明らかにするために、Partch は PASD1 を詳しく調べることにしました。彼女と彼女の同僚が最近 Molecular Cell の論文で明らかにしたように 、PASD1 は、癌や精子前駆体のように互いに異なる細胞が、体内の何兆もの他の細胞を支配する毎日のリズムから逃れる方法を説明するスイッチである可能性があります。これにより、研究者は細胞の動きの秘密を深く知ることができます。
牛が見つけた時計
植物や動物の毎日の循環は、何千年もの間魅力の源でしたが、根底にある生化学の研究が開始されたのは約 50 年前のことです。多くの人々は、この分野の創設を 1960 年の夏にコールド スプリング ハーバーで開催された会議にまでさかのぼる。その後の 30 年間で、研究者たちは、ショウジョウバエ、ハムスター、酵母など、異常な日周期を持つ突然変異生物を特定し、正常なリズムに必要な遺伝子を明らかにし始めました。自然周期が 19 時間または 28 時間であるハエ、または識別可能なリズムを持たないハエを研究することで、時計のパイオニアであるロナルド コノプカとシーモア ベンザーは、重要な時計遺伝子の最初のファミリーを発見し、per と名付けました。 、1971年に、そのレベルが1日を通して上下することがわかっています。わずか 1 年後、視交叉上核と呼ばれる脳内の細胞の小さなパッチが、哺乳類の 24 時間概日リズムに必要であることが研究者によって報告されました。
しかし何年もの間、リズムの影響がどれほど広範囲に及ぶか、つまり身体のすべてにどれほど深く影響するかは明らかではありませんでした。 1988 年、現在ジュネーブ大学の分子生物学の教授である Ueli Schibler は、遺伝子のタンパク質への転写を制御する細胞アクターである転写因子を研究していました。特に、カナダのポスドクによってラットから分離された 1 つの因子は、非常に強力であるように思われました。彼らは共同で発見を雑誌 Cell に発表しました .しかし、3 か月後、Jérôme Wuarin という学生がプロジェクトを引き継ぎました。彼はすぐにシブラーに不穏な知らせを伝えました。
「あなたはこの論文を撤回しなければなりません」と、シブラーはワリンが言ったことを思い出します。 「全部偽物です。存在しません。」 Wuarin が分離を実行したとき、転写因子は表示されませんでした。シブラーは懸念を真剣に受け止め、自分でこの手順を試しました。彼は転写因子を簡単に見つけました。
数週間後、Wuarin は自分で見つけられなかった理由に気付きました。彼とポスドクは、1 日の異なる時間帯に隔離を行っていたのです。ポスドクは夜更かしで、通常は午前 11 時頃に到着し、ラットを殺し、午後半ばまでに転写因子を手に入れました。 「しかし、[ウアリン] は農家の息子でした」とシブラーは説明します。 「彼は 5 時に起きて牛の乳を搾り、7 時に実験室に来てネズミを殺しました。そのとき、このタンパク質は存在しませんでした。」
毎日、この転写因子のレベルはほとんどゼロから始まり、朝に検出することは不可能であり、その後 300 倍に上昇し、ポスドクが日中に簡単に見つけることができることが知られています.余談ですが、シブラー氏は皮肉を込めて、それ以来、これほど激しく振動するタンパク質を発見した人はいないと述べています。運が良かっただけです。
研究者の概日リズムとラットの概日リズムが相互作用して、タンパク質が消失したように見えるというこの発見の後、シブラーは、毎日のリズムとその転写制御をより詳細に研究するようになりました。 1998 年、彼と同僚は予想外のものを発見しました。何年もの間、視交叉上核の細胞だけが独自の時計を持ち、体の残りの部分のすべてのリズムを遠隔操作していると考えられていました。しかし、シブラーと同僚は、脳はリズムに必要ではないことを発見しました。また、実際には体ではありませんでした。皿の中で何世代にもわたって培養されてきた 2 種類のラット細胞は、すべて独自に遺伝子をリズミカルに発現します。チームの研究は、体内時計が人々が考えていたよりも広く分布していることを示唆する他のいくつかの研究に加わりました.
それ以来、肝細胞、心臓細胞、肺細胞 - チャールズ・ワイツの言葉を借りれば、「私たちが見たほぼすべての組織」 - は、視交叉上核からの手がかりを得ることに加えて、独自の時間を打ち負かすことが判明しました. 「私たちの体のほぼすべての細胞には概日時計があります」と、ソーク研究所の時計研究者である Satchin Panda は述べています。 「それは、いつエネルギーを使うか、いつ休むか、いつDNAを修復するか、またはDNAを複製するかを、すべての細胞が判断するのに役立ちます。」たとえば、有毛細胞でさえ、毎晩特定の時間に分裂することをパンダは発見しました。癌患者の放射線治療を朝ではなく夕方に行うと、抜け毛が少なくなる可能性があります。
研究者たちは過去 15 年間、これらの末梢時計の分子成分のもつれを解くことに費やしてきました。 2004 年に大きな前進がありました。ジョセフ・タカハシ (現在はテキサス大学サウスウェスタン大学の教授) が率いるチームが、光る PER タンパク質を持つマウスを開発したときです。 PER が発現すると、これらのマウスの細胞は明るくなります。そうでない場合、彼らは暗いです。この進歩により、無数の異なる組織や状況で時計の循環を追跡する研究が可能になりました。
研究者は、視交叉上核の時計と同様に、末梢時計が CLOCK と BMAL1 と呼ばれるタンパク質に基づいていることを発見しました。このペアは互いにしっかりと握り合い、ゲノムに付着し、他のタンパク質をリクルートして、per などの近くの遺伝子の転写を開始します。 .これらの遺伝子の多くは、特定の生理的リズムの背後にあります。たとえば、食事時の肝酵素の産生や、毎日の血圧の上昇と下降です.
しかし、PER を含むいくつかのタンパク質は、カウンターバランスとして機能します。 PER とそのパートナーは、12 時間かけて細胞内に徐々に蓄積するため、CLOCK と BMAL1 の活動を阻害します。次の 12 時間で、カウンターバランスはゆっくりと低下し、CLOCK と BMAL1 は急増します。ペンシルバニア大学の時間生物学者であるジョン・ホーゲッシュは、夜明けの直前と日没の直前に、遺伝子発現の「ラッシュアワー」があり、おそらく光と闇の中で生き残るためのさまざまな要求に備えて体が準備していることを発見しました。 /P>
これは整然とした自己管理システムであり、ユビキタスと呼びたくなります。しかし、これらの研究は、すべてのものに時計があるわけではないことも明らかにしました。胚性幹細胞は、ほぼすべての種類の細胞に成長する可能性があり、時間を守りません。検査された臓器の中でほぼ唯一の精巣にも、時計がないようです。そして、多くのがん細胞は規則的なリズムを保っていません。これらの共通点は何でしょう？これが、パーチの発見の出番です。
時計が止まる仕組み
Partch が PASD1 について最初に学んだことの 1 つは、PASD1 が非常に少数の組織に現れるということでした。しかし、興味深いのは、睾丸と癌です。パーチがカリフォルニア大学サンタクルーズ校の教授になったとき、彼女と彼女の生徒たちは、光るPERを備えた細胞にPASD1を追加し始めました.彼らは、細胞の通常の光がかすかな光に減衰されていることを発見しました。これは、PASD1 が時計の正常な動作を妨げていることを示しています。そして、追加した PASD1 が多いほど、細胞は暗くなりました。
次に、パーチと彼女の生徒たちは、光る PER で細胞を成長させ、すべての細胞時計を同期させました。グローは、24 時間周期で正弦波のように明るくなったり暗くなったりし、セルが同期している限り、ピークと谷が定義されます。その後、パーチはこれらの細胞の一部に PASD1 を生成させました。これらの細胞では、輝きは波よりもぐらつきのようになり、山は低く、谷は浅くなり、すぐに消えました.細胞はリズムを維持できませんでした。
チームは、PASD1 がどのようにして細胞の循環を停止させるかを正確に突き止めようと取り組んでいます。しかし、タンパク質の特定の部分がヒントになります。 PASD1 のこのセクションは、概日リズムに不可欠な CLOCK の一部のように見えます。 「しかし、今日に至るまで、それが何をするのかを正確に知っている人はまだ誰もいません」とパーチは言いました。彼女は、PASD1 の重要な部分がどのように機能するかを理解すること (たとえば、BMAL1 自体に結合し、CLOCK がそうならないようにすることなど) を理解することで、CLOCK のこの重要な部分の役割を学ぶことができることを望んでいます.
これまでのところ、この研究は、PASD1 がクロックを停止させるというパーチの最初の予感を裏付けています。そして、PASD1 が存在する組織では、PASD1 が細胞が振動しない理由の一部であることを示唆しています。その発見は、より深い疑問への扉を開きます:時計は細胞の行動の非常に多くの側面を指示し、時計遺伝子の突然変異は病気につながります — 癌や代謝障害で指摘されてきました — なぜある種の細胞には時計が欠けているのでしょうか?または弱体化していますか?
「完全な多能性とは、あらゆる種類の細胞に発達する細胞の能力と、時計を動かす能力との間に、非常に興味深い、まだ調査されていない関係があるようです」と Partch 氏は述べています。彼女は、ヤギタ・カズヒロの研究室で行われた、胚性マウス幹細胞の発生に拍車をかけた実験について語っています。 「最初は、カチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチカチというようなものです…そして、これらの細胞の分化のある時点で、時計がオンになります。」プロセスが逆になると、時計がオフになります。
幹細胞に時計がないのは、時計によって制御される正確な遺伝子が組織ごとに大きく異なるためかもしれない、とパーチは推測している。たとえば、Charles Weitz の研究室の研究では、肝臓と心臓の組織は、毎日振動する遺伝子の 8 ～ 10% しか共有していないことが示されています。 「[幹細胞] は一度にすべてになる必要があります」と Partch 氏は言います。 「たぶん、それが何であるかをまだ知らないセルでは、時計を持つことは理想的ではありません」.これは、成熟した精子が幹細胞前駆体よりもはるかに多く、PASD1 が発見されている精巣を包含する可能性がある概念です。彼女はまだ他の幹細胞で PASD1 を探す必要があります.
タンパク質の他の既知のハングアウトである癌では、その存在の理由は異なる可能性があります. 「これが、ほとんどの固形腫瘍で時計が機能しない理由かもしれません」と、この研究には関与していない Hogenesch 氏は述べた。 「もしあなたが腫瘍で、分裂し、分裂し、分裂し続けたいと思うなら、おそらく、1 日の 1 時間に分裂することに制限されたくないでしょう。おそらく、少なくとも腫瘍にとっては進化上の利点があり、時計を混乱させて、特定の時間に分割するように微調整されたり微調整されたりするのではなく、十分なリソースがあるときにいつでも分割できるようにする. Partch のグループは、2 つのがん細胞株で PASD1 の産生を妨害すると、振動がより強く、より規則的になることを発見しました。これは、今後の研究では、PASD1 をノックダウンすることで、がん細胞の制御不能な複製も抑制できるかどうかを確認する必要があることを示唆しています。
最終的に、研究はより根本的な何かを明らかにするはずです。 「PASD1 が時計機能にどのように干渉するかを理解することで、時計がどのように機能しているかを知ることができます」と Partch 氏は述べています。彼女と彼女のチームは、時計が最初に明らかにされたよりもはるかに多くのプロセスに影響を与えるように、PASD1 が CLOCK と BMAL1 を妨害する以上のことをしている可能性があることにも気付きました。しかし、その仕事は時間がたてばやってきます。
