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協奏分子システム研究センター秋山グループ

場所:明大寺キャンパス 研究棟2F
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生物時計,生体リズム,時計タンパク質,遅く秩序あるダイナミクス,X線溶液散乱,動的構造解析

生物時計タンパク質が24時間周期のリズムを奏でる仕組みを解き明かす

「生物(体内)時計」という言葉を意識するのはどのようなときでしょうか。渡航や帰国後に頻発する眠気、だるさ、夜間の覚醒…、これら時差ボケの症状は、我々が生物時計の奏でる24時間周期のリズムのもとで生活していることの証です。私たちの研究グループでは̶̶生命が地球の自転周期(24時間)をどのようにしてその内に取り込んだのか̶̶それを分子科学的に解明するという壮大な研究テーマに挑戦しています。

シアノバクテリアの生物時計は、3種の時計タンパク質(KaiA、KaiB、KaiC)とATPを混ぜ合わせることで試験管内に再構成され(Kaiタンパク質時計)、24時間を正確に刻むことができます。一方、時を刻む仕組みの分子科学的理解は進んでいません1)。その一つは「安定した遅さ」の根源で、既存概念の積み上げでは、タンパク質分子という素材で24時間という「遅いダイナミクス」が実現されている理由を説明できません。もう一つの謎が周期の温度補償性です。これは生物時計に普遍的に見いだされる特徴で、時計の発振周期が温度の影響をほとんど受けません。遅い反応は大きな活性化エネルギーを有し、温度の上昇に従って著しく加速されるのが一般的です。生物時計のからくりに迫るためには、「遅いダイナミクス」と「温度補償性」という一見排他的な2つの性質を同時に説明しなければならないのです1)

私たちの研究グループでは、Kaiタンパク質時計の生化学的な活性測定2)はもとより、X線結晶構造解析2)やX線溶液散乱3)-5)を相補的に利用した動的構造解析、蛍光等による分子動態計測4)や同調実験、計算機を用いた実験データのシミュレーション2)などを行うことで、 分子時計の実態解明に取り組んでいます。このような 研究活動を通じて、多くの皆さんに生物、化学、物理、制御工学、計算科学を巻き込んだタンパク質時計研究のフロン ティアを体験して頂ければと思います6)


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Towards a Unified View of Temperature-compensated 24 h Period in Biological Clock System.

参考文献

  1. S. Akiyama, “Structural and dynamic aspects of protein clocks: How can they be so slow and stable?” CMLS, 69, 2147-2160 (2012).
  2. S. Akiyama, A. Nohara, K. Ito and Y. Maéda, “Assembly and Disassembly Dynamics of the Cyanobacterial Periodosome” Mol. Cell, 29, 703-716 (2008).
  3. Y. Murayama , A. Mukaiyama , K. Imai, Y. Onoue, A. Tsunoda, A. Nohara, T. Ishida, Y. Maéda, K. Terauchi, T. Kondo and S. Akiyama, “Tracking and Visualizing the Circadian Ticking of the Cyanobacterial Clock Protein KaiC in Solution” EMBO J., 30, 68-78 (2011).
  4. A. Mukaiyama, M. Osako, T. Hikima, T. Kondo and S. Akiyama, “A protocol for preparing nucleotide-free KaiC monomer” BIOPHYSICS, 11, 79-84 (2015).
  5. J. Abe, T. B. Hiyama, A. Mukaiyama, S. Son, T. Mori, S. Saito, M. Osako, J. Wolanin, E. Yamashita, T. Kondo and S. Akiyama, “Atomic-scale Origins of Slowness in the Cyanobacterial Circadian Clock” Science, 349, 312-316 (2015)
  6. 秋山 修志, ”時間生物学と放射光科学の接点”,放射光 (2016).