大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年05月06日

2022年5月6日
自然科学研究機構分子科学研究所
東海国立大学機構名古屋大学
大阪大学 蛋白質研究所
立命館大学

研究の背景
　生命は、地球の自転が生み出す約24時間（概日）周期の環境変化に適応しています。このリズムを支えているのが「概日時計（一般的には体内時計と呼ばれる）」と呼ばれるシステムで、バクテリア・植物・昆虫・哺乳類などの広い生物種に共通して見られる生命現象です。なかでもシアノバクテリアの概日時計は、細胞はもとより試験管内でも研究できる利点があり、生物学のみならず幅広い分野で研究対象となっています。これまでの研究をとおして、シアノバクテリアの概日時計が、わずかなエネルギー消費で24時間周期のダイナミックなリズムを生み出していることが分かっていましたが、その仕組みは明らかになっていませんでした。
　シアノバクテリアの概日時計は、3種類の時計タンパク質KaiA、KaiB、KaiCとアデノシン三リン酸（ATP）^（※２）を試験管内で混ぜ合わせることで再構成できます（図１）。KaiA、KaiB、KaiCは集合と解離を24時間周期で繰り返すことによって時刻情報を細胞内に伝えます。このときKaiCはATPを加水分解することで、KaiAとKaiBを含めた時計システム全体を駆動します。ATPの加水分解は、主にKaiCの二重リングのうち、上部のC1リングで進行します。しかし、その反応速度は一定ではなく、24時間周期で加速と減速を繰り返します。KaiC内で起こる加水分解速度の変化が起点となって、時刻情報がKaiAやKaiBへ、最終的には細胞全体に伝わると考えられてきましたが、その仕組みは明らかにされていませんでした。

研究の成果
　研究グループは、ATP加水分解が速い状態・遅い状態のKaiC（図２左上）の立体構造を明らかにするため、X線結晶構造解析^（※３）を進めました。KaiCの結晶を、兵庫県播磨の大型放射光施設SPring-8（BL44XU）に持ち込み分析することで、原子レベルのKaiCの構造を明らかにしました。ATP加水分解は、ATPの末端のリン原子に対して水分子が近づいて反応することで進行します。C1リングのATP結合部位に着目し、ATPに最も近い水分子のシグナルを観察しました（図２右上）。反応が加速された状態（朝）では、水分子はATPに対してより近く直線的な位置にあり、反応効率が高い配置になっていました。逆に、減速状態（夜）では、水分子がより遠く角度の大きい位置にあって、反応効率が低い配置になっていました。興味深いことに、このATPと水分子の原子レベルの配置調節は、C1リング全体にわたる規模の大きい構造変化と連動していました。
　生化学実験を行うことで、このC1リング全体の状態変化が、KaiAやKaiBの結合・解離のタイミングを決め、特別な仕掛けをつかって時計システム全体の時刻を制御していることが分かりました（図２下）。減速状態のKaiCは、KaiBを結合し、さらにKaiAを捕捉することでシステム全体に強力なブレーキをかけていました。しかし、KaiCが反応速度を自発的に上昇させると（助走、夜明け）、わずかな量のKaiBとKaiAが解離し、これによって生じたKaiAがシステム全体に加速効果を与え始めます。研究グループが驚いたのは、解き放たれたKaiAが、まだ助走を始めていない別のKaiCに作用して助走と加速を促し、その結果として開放されたKaiAは再び他の未助走のKaiCに作用して加速させる・・・、という専門的には自己触媒反応^（※４）と呼ばれる仕掛けが利用されている点でした。自己触媒反応は、多くの振動現象に共通してみられる過程であり、減速状態のKaiCを短時間のうちに加速状態へと促し、時刻情報を時計システム全体に迅速に伝播させるための重要な仕組みであることが分かりました。

　KaiCは、減速と加速を繰り返しつつ、平均すると一日に約14個のATPを消費します（減速状態では約6個/日、加速状態は約24個/日）。加速・減速時のエネルギー消費速度は、筋肉の収縮運動に関わるタンパク質の1/1000～1/10000程度であり、極めて省エネルギーなシステムであると言えます。概日リズムをわずかなエネルギー消費で細胞全体に行きわたらせることができるのは、本研究で明らかになったように、原子から分子全体、そして複数の分子にまたがる自己触媒的な現象が、綿密に連動する仕組みになっているからなのです。

今後の展開・この研究の社会的意義
　タンパク質は、自律的に自身の反応速度を制御しながら、秩序ある生命現象を生み出しており、そのメカニズムに対する理解はあまり進んでいません。KaiCの原子レベルでの制御（0.1ナノメートル規模）が、分子全体の制御（1-10ナノメートル規模）と連動し、分子間の制御（10-100ナノメートル規模）を実現するメカニズムを明らかにした本研究の手法や戦略は、様々な生命システムの研究において応用することが可能です。

用語解説

研究グループ
　分子科学研究所
　名古屋大学
　大阪大学 蛋白質研究所
　立命館大学

研究サポート
　本研究は、科学研究費補助金No. 17H06165, No. 18K06171, No. 19K16061等の助成を受けて実施されました。