staff先月、2017年度のノーベル生理学・医学賞が発表されました。Young)博士の3氏に授与されました。clock3氏のお祝いに、今回は藻類の概日リズムについて紹介します。動物の概日リズムと生物時計まず、概日リズムの解明が、ノーベル生理学・医学賞に値する成果である理由をお話しします。そもそも、概日リズムとは、恒常環境下でその存在が確かめられる、約24時間周期で変動する生理現象です。この3氏は、ショウジョウバエを使って、「概日リズムが、per(period)遺伝子とtim(timeless)遺伝子の転写制御と、この2つの遺伝子が作り出すタンパク質発現量により、自律的に作られる時間制御機構である」ことを明らかにしました。これは、タンパク質量が「振子」の役割をしていて、ほぼ24時間を刻む自律的な「振動」の仕組みを生物の細胞が内在的に持っているということです。per遺伝子とtim遺伝子を「時計遺伝子」と呼ぶこともあります。clockの和訳で同義です。生物時計とは、自律的に動く概日リズムが基本となって、光や温度、食事など外部刺激によって補正・同調される、生物が生まれつき備わっている時間測定機構です。生物時計が働くことで、生物は環境変化に応じて生活ができるのです。3氏の概日リズムの解明により、生物時計の研究が急速に発展していき、「時間生物学」という学問分野が確立しました。その発展の一つが、医学分野です。実は哺乳類にも、ショウジョウバエで解明された概日リズムのメカニズムとほぼ同じものを有しています。必要なシステムであることがわかってきました。細胞が無限に増殖してしまうガン細胞も、生物時計の異常と考えられていて、生物時計のメカニズムに基づいた新薬の開発が進められています。生物時計の仕組みここで、ショウジョウバエの生物時計を説明します。引用)上図のAは、ショウジョウバエで解明された、概日リズムです。細胞核でDNA上にあるper遺伝子から、mRNAに転写されて、細胞質に移動してPERタンパク質に翻訳されます。PERタンパク質は細胞質でTIMタンパク質と結合して細胞核に戻り、per遺伝子の転写を抑制します。PERタンパク質は一定時間後には分解していくため、TIMタンパクとの結合が外れて、抑制されていたper遺伝子は再び転写を開始します。このように、概日リズムは自身のタンパク質による転写や翻訳を抑制的に「フィードバック*」するメカニズムなのです。LoopともいいますPERタンパク質、TIMタンパク質のフィードバックが明らかにされてから、概日リズムの更なる詳細が解明されています。外部刺激に対する生物時計の制御機構もわかってきました。概日リズムとしては、per遺伝子の転写を活性化するタンパク質因子(CLY、CYC)、PERタンパク質の分解を促すタンパク質因子(DBT)等の働きにより、生物は「24時間」という時の長さをより正確に測っていることがわかりました。生物時計の補正機構において、最も研究されているのは「光」です。光刺激に対して生成されるタンパク質因子(CRY)は、TIMタンパク質の分解を促すことでPERタンパク質との結合体が形成されなくなります。このことによりper遺伝子の転写抑制ができなくなり、per遺伝子の転写、翻訳が進行して、フィードバック機構がリセットされます。様々な生物の概日リズム地球上で生きていくうえで、24時間周期の環境変化はどの生物も対応していかなければなりません。概日リズムは、おそらく生物共通でもっているはずです。藻類も含めて、ショウジョウバエ以外の生物はどうなっているのでしょうか?以前、下記記事にて、生物は元を辿ると一つの生命から誕生したと紹介しました。-実は曖昧な藻類の定義。その理由に迫る-https://modia.chitose-bio.com/articles/what_are_algae皆さん、「藻類(そうるい)」「藻(も)」と聞くと何を想像されますか?池に漂っている緑色の生物を想像される方、クロレラやスピルリナ、ユーグレナといった健康食品を想像される方、海苔やわかめ、昆布といった海藻を想像される方、赤潮やアオコの原因を想像される方。当サイトで最新ニュース紹介している通り、独立栄養で有用物質を生産できる今ホットな生物と想像される方。わかめや昆布といった体長数十メートルの「大型海藻」も、クロレラやミカヅキモといった顕微鏡でなければ観察できない数マイクロメートル...生命はちょっとずつ変化をしながら違う生物種に進化しているため、生命の生存に関わる機能(タンパク質合成機構や細胞分裂機構等)に関わる遺伝子は、基本的に生物共通であり、相同性があります。概日リズムもまた、生きていくうえで重要な仕組みです。そのため、時計遺伝子も相同性があるかと思いきや、様々な生物種で概日リズムの分子メカニズムが発見されてくる中、生物分類群による時計遺伝子には相同性がないことが分かってきました。生物分類群によって時計遺伝子は独立に生まれてきたと考えられます。一方で、面白いことに、生物分類群間で時計遺伝子に相同性がないにもかかわらず、概日リズムメカニズムは、どの生物も遺伝子転写量と遺伝子発現量が制御する「フィードバック」によって細胞内で自律的に振動している、という共通のメカニズムがわかったのです。2005を改変)上図は、生物の概日リズムのイメージと、シアノバクテリアと動物界(アカパンカビ、ショウジョウバエ、哺乳類、鳥類)における主な時計遺伝子を示しています。genes)」が関わっています。「抑制タンパク質をコードする時計遺伝子」は、「促進タンパク質」の活性化によって転写、翻訳され、「抑制タンパク質」が生成されます。「抑制タンパク質」は促進タンパク質の活性を抑えるため、「抑制タンパク質」が存在しているときには、「抑制タンパク質をコードする時計遺伝子」は転写されません。「抑制タンパク質」はリン酸化(Phosphorylation)により一定時間後に「抑制タンパク質の分解」が進められるため、「促進タンパク質」の活性が戻り、「抑制タンパク質をコードする時計遺伝子」は転写されます。)の時計遺伝子を例にすると、促進タンパク質をコードする遺伝子はCLK・CYC、抑制タンパク質をコードする遺伝子はPER・TIMとなります。)はショウジョウバエと一部が同じで、一部が異なります。アカパンカビ(オピストコンタ、菌界子嚢菌門フンタマカビ綱)はショウジョウバエとは全く違います。以前の筆者の記事で、全生物の系統樹を示し、動物界と菌界は同じ「オピストコンタ」のスーパーグループに属することをお話ししました。他のスーパーグループ6つのうち、5つに藻類が点在しています。-実は曖昧な藻類の定義。その理由に迫る-』にも記載しております。同じ「オピストコンタ」でも異なる生物群によって時計遺伝子が存在しているのですから、藻類の時計遺伝子も、藻類群によって異なる遺伝子を持つことが予想されます。藻類の概日リズム藻類の概日リズムによる現象はいくつか知られています。1967)などが挙げられます。多くの藻類で細胞分裂が明暗同調により起こることが知られています。藻類で生物概日リズムが分子レベルでわかっているものは多くありません。原核生物のシアノバクテリア(真正細菌、シアノバクテリア)の概日リズムも、生物共通の「フィードバック」機構になっています。上図の通り、促進タンパク質をコードする遺伝子はKaiA、抑制タンパク質をコードする遺伝子はKaiCです。