2011/07/28
【概要】
魚やマウス、ヒトなどのせきつい動物の背骨は、曲がりやすいように、多くの骨（せきつい骨）が積み重なった分節構造を形づくっている。そ の構造ができる仕組みについては、発生の過程で体内の"生物時計"が刻む約2時間の周期に応じて、せきつい骨のもとになる細胞群が順々に区切られることは わかっていたが、この生物時計の正確な周期を調節する仕組みは謎だった。
奈良先端科学技術大学院大学（学長：磯貝 彰） バイオサイエンス研究科遺伝子発現制御研究室の別所康全教授の研究グループと作村諭一特任准教授の研究グループは、実験生物学的手法と数理生物学的手法を組み合わせて、生物時計の周期を調節する巧妙な仕組みを明らかにすることに成功した。
こ の生物時計は特定の遺伝子群がONになったりOFFになったりすることを繰り返す（振動する）ことで約2時間の周期を刻んでいる。せきつい骨のもとになる 細胞は、細胞外からの刺激をノッチシグナルという情報伝達系を介して感知しているが、マウスを使った実験で、約2時間の周期はノッチシグナルの強弱を利用 して、数分の単位で微調整されていること解明された。別所教授らは、これまでの研究成果である生物時計の分子メカニズムをもとに数式モデルをつくりシミュ レーションを行ったところ、実験結果と一致する結果が得られた。こうしたことから生物時計の周期調節はノッチシグナルが担っていることが証明された。
ま た、せきつい骨の数は動物種によって決まっている。この生物時計は発生の過程の決められた時期にのみ働くので、生物時計の周期がせきつい骨の数を規定する 要因の一つと考えられている。この発見により動物種特異的なせきつい骨の数を説明できる可能性があると同時に、胎児環境の変化に適応してせきつい骨の数を 一定に保つメカニズムの解明が期待できる。
この成果はモレキュラーバイオロジー・オブ・ザ・セル誌に平成23年7月27日付け速報版に発表された。
【解説】
24 時間を計る概日時計はこれまでに詳しく研究されているが、生物はそれ以外にも様々なリズムを持っている。その一つが生物の形づくりを制御する2時間周期の 生物時計である。マウス胚の最尾部で特定の遺伝子群がONになったりOFFになったりすることを繰り返し、約2時間のリズムで振動している。そのリズムに 合わせてせきつい骨のもとになる細胞の塊である体節が一つずつ形成され、結果としてマウスでは64個前後の体節が作られる。その一つ一つの体節からせきつ い骨が作り出され、60個のせきつい骨が均整のとれた骨格を形づくられる(最初の4個の体節はせきつい骨にならないことが知られている)。せきつい骨の数 は動物種によって決まっているが、その仕組みはつきとめられていない。
特定の遺伝子群が振動する仕組みについては、これまでに別所教授ら のグループなどが、負のフィードバックループを利用した分子回路が中心になっていることを明らかにしている。すなわちマウス胚の最尾部の細胞群は、互いに 刺激し合って、その細胞外環境の情報をノッチシグナルを介して細胞内に取り込む。ノッチシグナルは、一群の遺伝子を活性化してONにするが、数十分後にそ れらの遺伝子産物の一つである遺伝子抑制因子（Hes7）が蓄積し、ONになった遺伝子を一定時間OFFにする。この繰り返しによって遺伝子発現の振動と して2時間のリズムが刻まれる。
今回の研究で、別所教授らは2時間周期の遺伝子の振動のドライビングフォースとして働いているノッチシグ ナルに着目。マウスを使い、ノッチシグナルの抑制因子の遺伝子Nrarpを破壊することにより、マウスの胚内のノッチシグナルを強める実験を行った。逆に ノッチシグナルの阻害剤を投与して弱める実験も行い、それぞれ胚の体節の数や個体のせきつい骨の数が変化することを観察した。その結果、ノッチシグナルの 強度に依存して生物時計の周期が数分のレベルで調節されていることが判明した。具体的にはノッチシグナルが強くなると周期が伸び、弱くなると周期が縮む仕 組みだった。
さらに、これまで示してきた負のフィードバックループの分子回路に基づく数理モデルを作り、ノッチシグナルを変化させたシ ミュレーションを行ったところ、実験結果と一致する相関が得られ、見事に説明できた。こうしたことから、マウス胚の最尾部の細胞は、細胞外環境の情報を ノッチシグナルを介して感知して生物時計の周期を調整することが証明された。
胚はさまざまな環境の影響を受けていると考えられるが、作ら れるせきつい骨の数はおおむね一定である。このため、胚の形づくりは環境変化に適応するメカニズムを備えていると考えられている。今回、形づくりを制御す る生物時計は細胞外環境を感知して微調整されることが明らかになったが、これは胚が環境適応する仕組みに寄与している可能性が高く、今後の研究の進展が期 待される。
また、生物の発生は極めて動的な現象であるために、従来の生化学や分子生物学の静的な現象を扱う手法だけでは解析が困難であっ た。今回、実験生物学的手法と数理生物学的手法を相補させる新たな手法を用い、解析の困難さを克服した。このような異種の手法の融合は、今後、動的な現象 のメカニズムの解明に必須なものとなると予想される。
なお、この研究は、科学研究費補助金(特定領域研究 ゲノム、基盤研究Bなど)、および、バイオインフォマティクス推進センター事業（BIRD）等の支援により行われた。
【用語解説】
・遺伝子の振動
遺 伝子がONの状態(タンパク質が作られている状態)とOFFの状態(タンパク質が作られない状態)が周期的に繰り返されること。生物の時間を計る手法の一 つ。例えば概日時計では24時間の周期で概日周期関連遺伝子のONとOFFが繰り返される。つまりある遺伝子は昼にONになっているが夜にはOFFにな り、翌日の昼には再びONになる。本件で扱った生物時計は約2時間の周期で特定の遺伝子のONとOFFが繰り返されている。これ以外の周期の振動の存在も 予想されているが現時点では発見されていない。
・ノッチシグナル
細胞膜上に局在するノッチ分子は、隣り合う細胞膜上に局在するリガンドと結合すると活性化され、特定の遺伝子群の発現を促進する。この細胞接触に依存する情報伝達系をノッチシグナルという。細胞外環境の情報を取り込む仕組みの一つである。
【関連リンク】
・論文は以下に掲載されております。
http://dx.doi.org/10.1091/mbc.E11-02-0139
http://library.naist.jp/dspace/handle/10061/6335（NAIST Academic Repository: naistar）
・以下は論文の書誌情報です。
Kim, Woong; Matsui, Takaaki; Yamao, Masataka; Ishibashi, Makoto; Tamada, Kota; Takumi, Toru; Kohno, Kenji; Oba, Shigeyuki; Ishii, Shin; Sakumura, Yuichi; Bessho, Yasumasa. The period of the somite segmentation clock is sensitive to Notch activity. MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL. 27 July 2011
