クリプトクロム
クリプトクロム(Cryptochrome, Cry)は青色光受容体タンパク質である。
ギリシャ語で「隠れた色素」(κρυπτοσ χρομοσ) という意味であり、元来は植物にあると想定された青色光受容体を指した。現在では特定の一群のタンパク質の名称であり、植物にはもう一種の青色光受容体であるフォトトロピンも見つかっている。クリプトクロムは緑藻から高等植物までにあり、さらに動物などにもよく似たタンパク質があることが明らかになっている。
クリプトクロムはフラビンタンパク質で、植物では光に基づく花芽形成、伸長、概日リズムなどの調節に関与している。青色光は光屈性にも関わっているが、これはクリプトクロムでなくフォトトロピンによることがわかっている。植物にはこのほかに赤色・近赤外光受容体フィトクロムがある。多くの植物ではクリプトクロムには2種類あり、CRY1およびCRY2と呼ばれている。
クリプトクロムは、光をエネルギー源としてDNA修復を行う細菌の酵素であるフォトリアーゼに構造が似ており(酵素活性は失っている)、進化的にはこれに由来すると考えられている。色素団としてプテリンとフラビンの2つを含んでいる。プテリンが光子を吸収し、これにより電子が放出され、この電子はフラビンに吸収される。これによりクリプトクロム分子はリン酸化を受け、さらにシグナル伝達の引き金を引くものと考えられているが、詳細は不明である。
クリプトクロムは動物(脊椎動物、昆虫、サンゴなど)やシアノバクテリア(藍藻)にも見つかっているが、これらは植物のものとは別系統とされる()。
動物では概日リズムに働く2タイプのCryがある。ほ乳類のCryは光受容能力はなく、CLOCK/BMALの抑制に働く。キイロショウジョウバエのCRYは青い光を受容して概日リズムをリセットするが、抑制能力はない。ただし蝶, ミツバチ, ハマダラカなど他の昆虫ではほ乳類型とショウジョウバエ型の両方のCryを持っている。
1880年代にチャールズ・ダーウィンが植物の青色光に対する反応を初めて記録したが、原因となる色素を特定する研究が始まったのは1980年代になってからである[6]。 1980年、研究者たちは植物シロイヌナズナのHY4遺伝子が植物の青色光感受性に必要であることを発見し、1993年にその遺伝子の塩基配列が決定されると、青色光によって活性化されるDNA修復タンパク質であるフォトリアーゼと高い配列相同性を示すことがわかった[7]。 1995年には、HY4遺伝子とその2つのヒトホモログの産物はフォトリアーゼ活性を示さず、代わりに概日光色素と推定される新しいクラスの青色光光受容体であることが明らかになった[8]。 1996年と1998年には、Cryホモログがそれぞれショウジョウバエとマウスで同定された[9][10]。
クリプトクロム (CRY1, CRY2) は、進化的に古く、高度に保存されたタンパク質であり、生命のあらゆる王国に存在するフラボタンパク質スーパーファミリーに属している[4]。 このスーパーファミリーのメンバーはすべて、N末端にフォトリアーゼホモロジー (PHR) ドメインを持つという特徴を持っている。PHRドメインは,フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)補因子や光捕集性発色団と結合できる[4]。クリプトクロムは,光によって活性化され,紫外線によって誘発されたDNA損傷の修復に関与する細菌の酵素であるフォトリアーゼに由来し,近縁の存在である。真核生物では、クリプトクロムはもはやこの元々の酵素活性を保持していない[11]。クリプトクロムの構造はフォトリアーゼと非常によく似た折り畳み方をしており、1分子のFADがタンパク質に非共有結合している[4]。ラマチャンドランプロット[12]によると、CRY1タンパク質の二次構造は主に右巻きのαヘリックスであり、立体的な重なりはほとんどない[13]。分子は直交する束のように配置されている[4]。
植物では,クリプトクロムは青色光に反応して,光源に向かって成長する光屈性を媒介する.この反応には、フォトトロピンという独自の光受容体が存在することが知られている。フィトクロームやフォトトロピンとは異なり、クリプトクロムはキナーゼではない。フラビンクロモフォアは、光によって還元されて細胞核に運ばれ、細胞核で膨圧に影響を与え、茎の伸長を引き起こす。具体的には、Cry2は、青色光による子葉や葉の伸長に関与している。トランスジェニック植物でCry2を過剰発現させると,青光刺激による子葉の膨張が増大し,数枚の原葉に花がつくよりも,多くの広葉樹の葉に花がつかなくなる[14]。シロイヌナズナのEarly Flowering 3(elf3)遺伝子とCry2遺伝子の二重機能喪失変異は,連続光下では開花を遅らせ,長日時・短日時には開花を早めることが示されており,シロイヌナズナのCRY2が連続光下での開花時期を早める役割を果たしている可能性が示唆されている[15]。
クリプトクロム受容体は、植物が光形態形成によって青色光に反応する原因となる。種子や苗の発育を制御し、植物体から花の咲く時期への切り替えを行う。シロイヌナズナでは、クリプトクロムが最適ではない青色光条件下での植物の成長を制御することが明らかになっている[16]。
ショウジョウバエやシロイヌナズナにおけるクリプトクロムの光受容と光伝達については、多くの研究がなされているにもかかわらず、まだ十分に理解されていない。クリプトクロムには、プテリン(5,10-メテニルテトラヒドロ葉酸(MTHF)の形)とフラビン(FADの形)という2つの発色団があることが知られている[17]。どちらも光を吸収する可能性があり、シロイヌナズナでは、プテリンは380 nm、フラビンは450 nmの波長で吸収するようである。過去の研究では、プテリンが捕らえたエネルギーがフラビンに伝達されるというモデルが支持されている[18]。この光伝達モデルでは、FADがFADHに還元され、クリプトクロムの特定のドメインのリン酸化を仲介すると考えられる。これがシグナル伝達の連鎖を引き起こし、細胞核での遺伝子制御に影響を与える可能性がある。
新しい仮説[19]では、植物のクリプトクロムでは、光信号をパートナー分子が感知できるような化学信号に変換する際に、FAD補因子や隣接するアスパラギン酸など、タンパク質内の光によって誘発される負電荷が引き金になるのではないかと提案している[20][21]。 この負電荷は、タンパク質に結合したATP分子を静電的に反発させ、その結果、光子吸収前にATP結合ポケットを覆っているタンパク質C末端ドメインも反発させる。その結果、タンパク質のコンフォメーションが変化し、C末端の以前はアクセスできなかったリン酸化部位がリン酸化され、リン酸化されたセグメントが光形態形成の負の制御因子COP1の同じ結合部位と競合することで、転写因子HY5を解放することができる。
ショウジョウバエでは,異なるメカニズムが機能している可能性がある。ショウジョウバエのCRYにおけるフラビン補酵素の真の基底状態については,いまだに議論されており,FADが酸化された形で存在するというモデルもあれば[22],フラビン補酵素がアニオンラジカルの形でAD−•として存在するというモデルを支持する人もいる.近年、酸化したFADが光によって容易にAD−•に還元されることが観察された。さらに,光還元を阻害する変異は,光によるCRYの劣化に影響を与えないが,FADの安定性を変化させる変異は,CRYの光受容体の機能を破壊することがわかった[23][24].また,最近では,FAD-が光子を吸収して2重状態または4重状態に励起され,それによってCRYタンパク質の構造が変化するというモデルも提案されている[25].
また,海綿体の眼には,青色光を受容するクリプトクロームが発現している.多くの動物の眼は、神経細胞に発現した光感受性のオプシンタンパク質を用いて光環境の情報を神経系に伝達しているが、海綿動物の幼生は色素環眼を用いて光泳ぎを行っている。しかし、海綿動物の幼生であるAmphimedon queenslandicaのゲノムには、他の多くのGタンパク質共役型受容体(GPCR)が存在するにもかかわらず、光感受性オプシン色素の遺伝子がないことが明らかになっている。RNAプローブを用いた研究により、2つのクリプトクロムのうちの1つ「Aq-Cry2」が、スポンジの単純な目の細胞の近くで生成されていることがわかった。Aq-Cry2はフォトリアーゼ活性を持たず、フラビンベースの補因子を含んでおり、幼生の光行動を媒介する波長の光に反応する。Aq-Cry2は、オプシンクラスのGPCRとして定義され、オプシン機能の中心となる保存されたShiff塩基リジンを有している。他の海綿動物と同様、A. queenslandicaは神経系を持たない。このことから、オプシンを持たないカイメンの眼は、クリプトクロムと他のタンパク質を利用して、眼を媒介とした光定位行動を指示または作用させていると考えられる[26]。
動物や植物の研究から、クリプトクロムが概日リズムの生成と維持に極めて重要な役割を果たしていることが示唆されている[27]。 同様に、植物の概日リズムの同調にもクリプトクロムが重要な役割を果たしている。 [28] ショウジョウバエでは、クリプトクローム(dCRY)は、概日時計への光の入力を直接調節する青色光の光受容体として働き[29] 、哺乳類では、クリプトクロム(CRY1およびCRY2)は、概日時計の中で転写抑制因子として働く。 [30] オオカバマダラを含むいくつかの昆虫は、哺乳類に似たクリプトクロムとショウジョウバエに似たクリプトクロムの両方を持っており、クリプトクロムの光感知と転写抑制の両方の役割を含む先祖代々の時計メカニズムの証拠となっている[31][32]。
Cry変異体は、概日リズムが変化しており、Cryが概日ペースメーカーに影響を与えていることを示している。また,Cry1またはCry2遺伝子を欠損したマウスでは,自由行動期間が異なるものの,光降伏が可能であった[34].しかし,Cry1とCry2の両方を欠損したマウスは,LDとDDの両方で不整脈を起こし,常にPer1のmRNAレベルが高い.これらの結果は,クリプトクロームが光受容的な役割を果たすとともに,マウスのPer遺伝子発現の負の調節因子として機能していることを示唆している[35].
ショウジョウバエでは、クリプトクロームは青色光の光受容体として機能している。青色光を照射すると,常に活性化しているCRYのC末端を欠いた変異体(CRYΔ)と同様のコンフォメーションが誘導される[25].このコンフォメーションの半減期は暗所では15分であり,光依存的にCRYと他の時計遺伝子産物であるPERやTIMとの結合を促進する[3][25][29][36]. dCRYと結合したdTIMは,ユビキチン-プロテアソーム系によって分解される.
光パルスが同調しないにもかかわらず,光周期のLDサイクルがショウジョウバエの脳の腹側ニューロンのサイクルを駆動することができる。これらのデータは、CRYがショウジョウバエの体内時計の細胞自律的な光受容体であり、ノンパラメトリックな同調(短い離散的な光パルスによる同調)の役割を果たしている可能性を示唆している。しかし、側方神経細胞は、青色光のCRY経路とロドプシン経路の両方で光情報を受け取っている。したがって,CRYは光の知覚に関与し,概日時計の入力となっているが,光情報の唯一の入力ではない。CRY経路がない場合でも持続的なリズムが示されており,この場合,ロドプシン経路が何らかの光の入力を提供していると考えられている[37]。 最近,古典的な概日性のCRY-TIM相互作用とは独立した,CRYを介した光反応があることも明らかになった。このメカニズムには,カリウムチャネルのコンダクタンスに依存したフラビンレドックスベースのメカニズムが必要であると考えられている.このCRYを介した光反応は,オプシンノックアウトしたショウジョウバエにおいて,光反応の数秒後に活動電位の発火を増加させることが示されている[38].
クリプトクロムは,概日リズムに関与する多くの遺伝子と同様に,mRNAおよびタンパク質レベルで概日的な循環を示す。ショウジョウバエでは,CryのmRNA濃度は明暗サイクル(LD)で循環しており,明所では高濃度,暗所では低濃度となる[33].この循環は暗所(DD)でも持続するが,振幅は減少する[33].Cry遺伝子の転写も同様の傾向で循環する[33].LDでは、CRYタンパク質は明所では低レベル、暗所では高レベルとなり、DDでは、CRYレベルは主観的な昼夜を通して連続的に増加する[33]。このように、CRYの発現は、転写レベルでは時計によって、翻訳および翻訳後のレベルでは光によって制御されている[33]。
また,Cryの過剰発現は,概日的な光反応にも影響を与える.ショウジョウバエでは,Cryを過剰に発現させると,ハエの低照度光に対する感度が向上する[33]。このようにCRYタンパク質レベルが光によって調節されることは,CRYが他の時計遺伝子や構成要素の上流で概日的な役割を果たしていることを示唆している[33]。
クリプトクロームは,Period(PER),CLOCK,BMAL1とともに,転写-翻訳-負帰還ループ(TTFL)を生成する4つのグループの哺乳類時計遺伝子/タンパク質の1つである[39]. [このループの中で,CLOCKとBMAL1タンパク質は転写活性化因子であり,共にCry遺伝子とPer遺伝子のプロモーターに結合してその転写を活性化する[39]。 そして,CRYとPERタンパク質は互いに結合して核に入り,CLOCK-BMAL1の活性化した転写を阻害する[39]。
マウスでは,Cry1の発現は,概日リズムの生成に関与する脳領域である視交叉上核において,明期にmRNAレベルがピークに達し,暗期には最小になるという概日リズムを示していた[40].
CRYは哺乳類におけるTIMのホモログとして確立されていますが、哺乳類における光受容体としてのCRYの役割については議論の余地があります。初期の論文では,CRYには光に依存しない機能と依存する機能の両方があることが指摘されていました.2000年の研究では,ロドプシンを持たないがクリプトクロムを持つマウスは光に反応するが,ロドプシンとクリプトクロムのどちらも持たないマウスでは,光感受性のメディエーターであるc-Fosの転写が著しく低下することが示された[41]. [近年、メラノプシンが主な概日光受容体であることを支持するデータが出てきており、特にメラノプシン細胞は眼と視交叉上核(SCN)の間の同調とコミュニケーションを媒介している[42]。 哺乳類の光受容体としてCRYを肯定するか否定するかの主な難点は、遺伝子をノックアウトすると動物が不整脈を起こすため、純粋に光受容体としての能力を測定することが難しいことである。しかし,いくつかの最近の研究は,ヒトCRYが末梢組織における光反応を媒介する可能性を示しています[43].
正常な哺乳類の概日リズムは、Cry1プロモーターの活性化後のCry1の遅延発現に決定的に依存している。Per2プロモーターの活性化とPer2 mRNAレベルのリズムがほぼ同じ位相であるのに対し、Cry1 mRNAの生成はCry1プロモーターの活性化に比べて約4時間遅れる[44]。 [この遅延は、CRY1やCRY2のレベルとは無関係であり、プロモーターのE/E'ボックスおよびDボックス要素と、遺伝子の第1イントロンにあるRevErbA/ROR結合要素(RRE)の組み合わせによって媒介される[45]。 不整脈を起こしているCry1//-Cry2//-ダブルノックアウト細胞に、Cry1プロモーターのみをトランスフェクションしても(Cry1の構成的な発現を引き起こす)、リズムを回復するのに十分ではない。これらの細胞で概日リズムを回復させるには、プロモーターと第1イントロンの両方をトランスフェクションすることが必要である[45]。
主な記事 磁気受容
磁気受容とは、生物が磁場を感知して方向や高度、位置を認識するための感覚である。鳥の目の視細胞に含まれるクリプトクロムが、移動中の磁気的な方向性に関与しているという実験データがある[46]。 また、ショウジョウバエの光による磁場感知能力にもクリプトクロムが必須であると考えられている[47]。磁場がシロイヌナズナのクリプトクロムにも影響を与えることが報告されたことがある。 青色光(赤色光ではない)の存在下で、成長行動が磁場の影響を受けているように見えた[48]。 しかし、この結果は後に別の研究室で厳密に管理された条件では再現できないことが判明し[49]、植物のクリプトクロムは磁場に反応しないことが示唆された。
クリプトクロムは、青色光を照射すると、スピンが相関したラジカル対を形成する[50][51]。ラジカル対は、光に依存しない暗所でのフラビン補酵素の分子酸素による酸化反応でも、スピンが相関したFADH-スーパーオキシドラジカル対を形成して生成される[52]。磁気受容は、周囲の磁場がこれらのラジカルの相関(平行または反平行)に影響を与えることで機能すると仮定されており、これが活性化された形のクリプトクロムの寿命に影響を与えると考えられている。クリプトクロムの活性化は、網膜ニューロンの感光性に影響を与え、その結果、動物は磁場を感知することができる[53]。 動物のクリプトクロームと近縁の動物(6-4)フォトリアーゼは、クリプトクロム・フォトリアーゼ・スーパーファミリーの他のタンパク質よりも、電子伝達を行うトリプトファンの鎖が長い(トリプトファンが3つではなく4つ)[54][55]。 [ナノ秒からマイクロ秒の時間スケールでこれらのラジカルペアのスピン選択的な再結合がないことは,クリプトクロームによる磁気受容が前方光反応に基づいているという提案とは相容れないように思われる。