生物時計

地球のサイクルの昼夜の交替は非常に確実で、動物、植物、バクテリアが行動と生理を調整することは驚くことではない（レビューについては文献1を参照されたい）。 概日リズムは、最も予測しやすい環境課題に対する、すべての生物の偏在的な適応である。 一定の条件下で持続し、≈1日の周期を持つ生体リズムを「サーカディアン」（circa, “around”; dian, “day” ）と呼びます。

ごく最近まで、この振動の基礎となる分子は未知のままでした。 RNAやタンパク質合成の阻害剤によってこのような振動が乱されることから、そのような分子が関与していることが示唆されています(2)。

メカニズムを解明するのに成功したアプローチは、遺伝子改変を用いることです。

ショウジョウバエでは、周期遺伝子と時間遺伝子のmRNAとタンパク質産物の量が、ハエの脳の特定部位で≈24時間周期で変化している(6)。 金子真樹らは、これらの分子振動をマーカーとして、ミバエの脳におけるペースメーカー細胞と推定されるものについて述べた(7)。 成体頭部では、中枢脳と視葉の間に位置する側頭神経細胞という特定の部位でperがリズミカルに発現していることが、タンパク質の研究から明らかになった。

金子ら(7)は、perとtimの産物が幼虫脳の限られた数のニューロンで検出可能であることを明らかにした。 そのようないくつかの細胞での発現パターンは周期的である。 これらの神経細胞のうち、側方に位置する5つの細胞が発現している。 PERIOD (PER)を幼生期から発現していることから、幼生期の食刻やロコモーターの活動の時間保持に関与している可能性が示唆された。 もう一つの興味深い発見は、側方ニューロンに反比例してperとtimが周期的に発現しているニューロン群である。 この結果は、一つの生物の中に、異なる生理的あるいは行動的プロセスのリズムに関与する複数のオシレーターが存在することを示唆している。 また、Kanekoら（7）は、perプロモーター依存性のレポーター遺伝子発現を用いて、ペースメーカーニューロンの配線パターンを解剖学的に特徴付けることを述べている。 このような分子解剖学的アプローチは、この脳システムの機能マッピングに新たな知見をもたらすと期待される。 さらに、哺乳類とハエの時計細胞の比較により、これらのシステムの進化的関係が明らかになるであろう。

転写の概日制御は、時計が多くの時計制御遺伝子発現を制御するシス作用制御要素やトランス作用因子を分析する入り口を提供する(6)。 これらの推定シス作用性調節要素は “time-box”(8)と名付けられ、時計制御遺伝子のプロモーターとエンハンサー領域に存在すると推測されている。 さらに、時計制御応答性要素(6)やtime-boxは、一定の条件下で内因性の概日性の生理現象を制御している可能性がある。 最近では、ショウジョウバエのperiod遺伝子のプロモーター領域にtime-boxの候補が同定されている(9)。 perは転写抑制を介してmRNAの循環を仲介することが提案されているが、perにはDNA結合ドメインがないため、perとDNAが直接相互作用する可能性は極めて低い。 Hardinのグループは、per-lacZ融合遺伝子を導入したハエを用いた研究で、per遺伝子のプロモーター領域を広範囲に渡って解析した（9）。 彼らは、per遺伝子の上流にあるE-boxを含む69bpのDNA断片内に、per遺伝子の発現を夜間に活性化する原因となる概日転写エンハンサーを同定した。 E-boxは転写因子であるbasic helix-loop-helix classの結合部位として知られている。

最近、振動子におけるトランス作用因子の最強候補として、前方遺伝学的手法によりクローニングされたClockが挙げられた（10）。 高橋ら(10)は概日変異マウスを単離し、ロコモター活性を解析した。 Clock変異体は長周期を示し、数日暗黒に置くと不整脈を起こすことがわかった。 高橋ら（10）は、原因遺伝子のクローニングに成功し、Clock遺伝子のタンパク質コード領域に変異があることを突き止めた。 興味深いことに、Clockタンパク質は、ショウジョウバエのper遺伝子に存在するタンパク質結合ドメイン（PAS）とDNA結合のための基本ヘリックス-ループ-ヘリックスモチーフを含んでいることが判明した。 さらに、高橋ら（10）は、正常な時計遺伝子の導入により、時計変異マウスの長周期・不整脈表現型を完全に救済できた。

Ravi Alladaらは、ハエとヒトの両方で概日リズム生成に関わるClockに着目し、共通の分子構成要素を説明した(11)。 Alladaら(11)は、化学的に変異させたハエをスクリーニングして、ロコモーターの活動の概日リズムを変化させたり消失させたりする変異体を探し、新しい不整脈変異体（当初Jrkと呼ばれた）を見いだした。 Jrkハエは、転写レベルが低下しているため、周期タンパク質とタイムレス・タンパク質を低レベルで発現している。 この遺伝子は、哺乳類の概日リズム遺伝子であるClockと顕著な配列保存性を示すことから、Alladaら（11）はこのハエの遺伝子をdClockと改名した。 8050>

最近の哺乳類とハエの研究から、CLOCKのパートナータンパク質も進化的に保存されていることが示唆された（BMALと命名）（12, 13）。 CLOCK-BMALの二量体は、ハエではperiodとtimeless遺伝子のプロモーター領域に結合し、両遺伝子をトランスアクティベートすることが示された。 さらに、PERIOD-TIMELESS（PER-TIM）の発現はCLOCK-BMALを介したレポーター誘導を抑制することが示された。 このように、負のフィードバックモデルが提唱されている（Fig.1）。