このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2008年1月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)
概日体内時計タンパク質(上:KaiA、PDB:1r8j、中:KaiC6量体、PDB:2gbl、下:KaiB、PDB:1r5p)

我々の細胞の中には24時間の日周リズム(概日リズム)をとる小さな分子時計がある。この時計は、おなかが空く時間や眠くなる時間を決めている。また、昼間の長さの変化を感知し、季節変化を起こす。中心的な役割をしている時計は、脳のある小さな領域にあって、視交叉上核(suprachiasmic (suprachiasmatic) nucleus、SCN)と呼ばれている。我々の身体の中心的なペースメーカーとして働き、外界の明暗周期をチェックし、他の身体各部が同期するように信号を送る。

時を刻む

分子の反応は素早いので、24時間周期の時計が分子レベルの働きによって制御されているとは考えにくい。しかし驚くべきことに、別の生物が異なる方法で概日リズムの制御方法を発達させている。動物細胞は、毎日周期的に合成と分解が行われるタンパク質(それぞれ、Clock(時計)、Cryptochrome(クリプトクロム)、Period(期間)という変わった名前を持っている)を集めた複合体を利用している。24時間周期で変化するこれらのタンパク質濃度は、一連のフィードバックループによって制御されており、そこではタンパク質の濃度がそのタンパク質自身の産生を正確に制御している。これよりずっと単純な機構がシアノバクテリアで見つかっている。その機構は3つのタンパク質〜KaiA、KaiB、KaiC〜で構成され、一緒になって概日リズムをつくっている。サイクルの最初に、KaiA(右図上の分子、PDBエントリー 1r8j )が大きなKaiC(右図中央の分子、PDBエントリー 2gbl )6量体を刺激し、リン酸基を付加する。リン酸基で満たされたKaiCはKaiB(右図下の分子、PDBエントリー 1r5p )に結合し、これがKaiAを不活性化する。その結果、リン酸基は徐々にKaiCから離れていく。リン酸の数が少なくなると、KaiBはKaiCから離れ、KaiAが再びサイクルを回し始める。

時刻を合わせる

この時計は約24時間の周期を持っているが、想像がつくように正確なものではない。そのため細胞は、外界に時計を合わせる方法を持っている。脳内の時計は光にさらされることにより同期される。光は網膜で感知され、信号が脳に送られて、概日周期のタイミングを修正する。時差のある場所に移動すると移動した最初の数日は「ジェットラグ」を経験するが、それは概日体内時計が古いスケジュールに同期しているためである。ところが日中の輝かしい光(青色の光がよく効くようである)によって概日体内時計ものです。は徐々にずれていき、その場所の時間に合うようになる。

眠りを催す分子

セロトニン N-アセチル転移酵素(PDB:1cjw)

小分子ホルモンであるメラトニンは夜にだけ作られて、血中を循環し、睡眠など夜の活動を調整している。メラトニンによる治療は、例えば、ジェットラグでずれた概日体内時計の周期を直すなど、人為的に概日体内時計サイクルを変えるのに使われる。ここに示した分子は、PDBエントリー 1cjw の「セロトニン N-アセチル転移酵素(serotonin N-acetyltransferase)」で、一日のメラトニン濃度の上がり下がりは、この酵素の濃度水準によって調整されている。この酵素が、神経伝達物質のセロトニンに数個の原子を付加し、続いて2つ目の酵素がそれをメラトニンに変換する。ここに示した構造では、酵素が実行反応の過程にとらえられている。大きな緑の分子が活性部位に結合した酵素は、セロトニンに付加されたアセチル基の中間体に似た形をしている。

構造を見る

KaiC時計タンパク質(PDB:2gbl)

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KaiC時計タンパク質(PDBエントリー 2gbl )は6つの同じサブユニットが集まり、筒状の構造を形成している。左図に示した構造は、中央を通っているトンネルが見えるようにサブユニットを2つ取り除いたものである(リンク先のJmolページでは、取り除いている2つのサブユニットの表示ON/OFFができる)。日々時を刻んでいるリン酸(緑色の分子)は各サブユニットのセリン残基、スレオニン残基に付加される。KaiAはKaiCを刺激し、リン酸基を付加する。そしてKaiBがKaiAの活動を阻害する。その結果、KaiCからリン酸基が取り除かれる。この反応の速度は、反応全体が24時間かかるように全て調整される。

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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
1m2e Structure and Function from the Circadian Clock Protein KaiA of Synechococcus elongatus: A potential Clock Input Mechanism Williams, S.B., Vakonakis, I., Golden, S.S., LiWang, A.C. 2002 Proc.Natl. Acad.Sci.USA 99 15357 12438647
1m2f Structure and Function from the Circadian Clock Protein KaiA of Synechococcus elongatus: A potential Clock Input Mechanism Williams, S.B., Vakonakis, I., Golden, S.S., LiWang, A.C. 2002 Proc.Natl. Acad.Sci.USA 99 15357 12438647
1q6a NMR structure of the KaiC-interacting C-terminal domain of KaiA, a circadian clock protein: Implications for KaiA-KaiC interaction Vakonakis, I., Sun, J., Wu, T., Holzenburg, A., Golden, S.S., LiWang, A.C. 2004 Proc.Natl. Acad.Sci.USA 101 1479 14749515
1q6b NMR structure of the KaiC-interacting C-terminal domain of KaiA, a circadian clock protein: implications for KaiA-KaiC interaction Vakonakis, I., Sun, J., Wu, T., Holzenburg, A., Golden, S.S., LiWang, A.C. 2004 Proc.Natl. Acad.Sci.USA 101 1479 14749515
1r5p Anabaena circadian clock proteins KaiA and KaiB reveal a potential common binding site to their partner KaiC Garces, R.G., Wu, N., Gillon, W., Pai, E.F. 2004 Embo J. 23 1688 15071498
1r5q
1r8j Crystal structure of circadian clock protein KaiA from Synechococcus elongatus Ye, S., Vakonakis, I., Ioerger, T.R., LiWang, A.C., Sacchettini, J.C. 2004 J.Biol.Chem. 279 20511 15007067
1suy Structure of the C-terminal domain of the clock protein KaiA in complex with a KaiC-derived peptide: implications for KaiC regulation. Vakonakis, I., LiWang, A.C. 2004 Proc.Natl. Acad.Sci.USA 101 10925 15256595
1sv1
1t4y Structure of the N-terminal domain of the circadian clock-associated histidine kinase SasA. Vakonakis, I., Klewer, D.A., Williams, S.B., Golden, S.S., LiWang, A.C. 2004 J.Mol.Biol. 342 9 15313603
1t4z
1tf7 Visualizing a Circadian Clock Protein; Crystal Structure of KaiC and Functional Insights Pattanayek, R., Wang, J., Mori, T., Xu, Y., Johnson, C.H., Egli, M. 2004 Mol.Cell 15 375 15304218
1u9i Identification of key phosphorylation sites in the circadian clock protein KaiC by crystallographic and mutagenetic analyses Xu, Y., Mori, T., Pattanayek, R., Pattanayek, S., Egli, M., Johnson, C.H. 2004 Proc.Natl. Acad.Sci.USA 101 13933 15347809
1v2z Crystal structure of the C-terminal clock-oscillator domain of the cyanobacterial KaiA protein Uzumaki, T., Fujita, M., Nakatsu, T., Hayashi, F., Shibata, H., Itoh, N., Kato, H., Ishiura, M. 2004 Nat.Struct.Mol.Biol. 11 623 15170179
1vgl Tetrameric structure of cyanobacterial circadian clock protein KaiB and associated functions Iwase, R., Imada, K., Hayashi, F., Uzumaki, T., Namba, K., Ishiura, M. n/a To be Published n/a n/a n/a
1wa9 Crystal structure and interactions of the PAS repeat region of the Drosophila clock protein PERIOD. Yildiz, O., Doi, M., Yujnovsky, I., Cardone, L., Berndt, A., Hennig, S., Schulze, S., Urbanke, C., Sassone-Corsi, P., Wolf, E. 2005 Mol.Cell 17 69 15629718
1wwj Tetrameric architecture of the circadian clock protein KaiB. A novel interface for intermolecular interactions and its impact on the circadian rhythm. Hitomi, K., Oyama, T., Han, S., Arvai, A.S., Getzoff, E.D. 2005 J.Biol.Chem. 280 19127 15716274
2dql Crystal structure of the circadian clock associated protein Pex from anabena Kurosawa, T., Iwase, R., Kouyama, T., Sakata, S., Murakami, M., Hasegawa, D., Uzumaki, T., Hayashi, F., Ishiura, M. n/a To be Published n/a n/a n/a
2e1n Structural and Biochemical Characterization of a Cyanobacterium Circadian Clock-modifier Protein Arita, K., Hashimoto, H., Igari, K., Akaboshi, M., Kutsuna, S., Sato, M., Shimizu, T. 2007 J.Biol.Chem. 282 1128 17098741
2gbl Analysis of KaiA-KaiC protein interactions in the cyano-bacterial circadian clock using hybrid structural methods. Pattanayek, R., Williams, D.R., Pattanayek, S., Xu, Y., Mori, T., Johnson, C.H., Stewart, P.L., Egli, M. 2006 Embo J. 25 2017 16628225
2j48 NMR structure of the pseudo-receiver domain of CikA. Gao, T., Zhang, X., Ivleva, N.B., Golden, S.S., LiWang, A. 2007 Protein Sci. 16 465 17322531
2pd7 Conformational switching in the fungal light sensor Vivid Zoltowski, B.D., Schwerdtfeger, C., Widom, J., Loros, J.J., Bilwes, A.M., Dunlap, J.C., Crane, B.R. 2007 Science 316 1054 17510367
2pd8
2pdr
2pdt

概日体内時計タンパク質についてさらに知りたい方へ

以下の参考文献もご参照ください。

  • M. J. Rust, J. S. Markson, W. S. Lane, D. S. Fisher and E. K O'Shea 2007 Ordered phosphorylation governs oscillation of a three-protein circadian clock. Science 318 809-812
  • J. Arendt and D. J. Skene 2005 Melatonin as a chronobiotic. Sleep Medicine Reviews 9 25-39
  • D. Bell-Pedersen, V. M. Cassone, D. J. earnest, S. S. Golden, P. E. Hardin, T. L. Thomas and M. J. Zoran 2005 Circadian rhythms from multiple oscillators: lessons from diverse organisms. Nature Reviews Genetics 6 544-556
  • S. L. Harmer, S. Panda and S. A. Kay 2001 Molecular bases of circadian rhythms. Annual Review of Cell and Developmental Biology 17 215-253



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2008-01-01 (last edited: 6 months ago)2016-09-09
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