名古屋大学、東京大学、福岡大学などの研究チームが、広い生物種に共通して体内時計の制御に関わっているとみられる新しい機構を発見した。

 いわゆる体内時計(概日時計)の24時間周期の概日リズム生成には、概日時計を構成する時計遺伝子による「転写・翻訳フィードバックループ(以下、転写ループ)」が重要な役割を果たしていると考えられてきた。一方で、転写や翻訳などの生化学反応は温度によって反応速度が変化する性質をもつにも関わらず、概日時計は温度補償性(環境温度が変化しても周期が保たれる性質)を有するという、矛盾にも感じられる不思議な点があり、生化学反応の速度を下支えする別の仕組みの存在が提唱されていたが、その実体は明らかになっていなかった。

 本研究では、細胞がもつ概日時計の温度補償性に影響を及ぼす因子を探したところ、細胞内のカルシウムイオン(Ca2+)濃度を制御するタンパク質であるNa+/Ca2+交換輸送体(NCX)に行きついた。NCXは、環境温度が低下すると細胞内Ca2+の流入を促進させて転写ループの速度低下を防ぐことがわかり、さらにこの低温性Ca2+シグナルは哺乳類だけでなく昆虫、植物、細菌の概日時計でも機能していることが判明した。

 これまでに見つかっていた時計遺伝子は、動物、植物、細菌で保存性が低かったため、生物種ごとに独立進化したと考えられてきたが、本研究により、多くの生物種で細胞内Ca2+濃度は一日周期で増減を繰り返していることから、実は細胞内Ca2+振動が体内時計の起源であり、それを制御するNCXが生命に共通する時計遺伝子であるという新しい可能性が提示された。

 実際に、NCX機能が低下した動物では一日周期の行動リズムが著しく障害されることや、NCX活性を阻害する薬剤を用いると概日時計の周期や時刻を制御できることも本研究で明らかとなっている。これらの発見は、体内時計を操作する技術開発に新しい道を拓くとともに、生命の共通祖先における体内時計の誕生を知る手がかりを提供している。

論文情報:【Science Advances】Na+/Ca2+ exchanger mediates cold Ca2+ signaling conserved for temperature-compensated circadian rhythms

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