細菌の概日リズム

細菌の概日リズムは、他の概日リズムと同様に、次の 3 つの特徴を持つ内因性の「生物時計」です。(a) 一定の条件 (つまり、一定の温度と一定の光 {LL} または一定の暗闇 {DD}) では、24 時間に近いが正確に 24 時間ではない周期で振動します。(b) この「自由実行」リズムは温度によって補正されます。(c) リズムは適切な環境サイクルに同調します。

1980年代半ばまでは、真核細胞のみが概日リズムを持つと考えられていました。現在では、シアノバクテリア（光合成真正細菌の門）が、本物の概日リズムの基準をすべて満たす、十分に文書化された概日リズムを持つことがわかっています。これらの細菌では、構造が決定されている3つの主要なタンパク質、KaiA、KaiB、およびKaiCが、全体的な遺伝子発現を調整する分子時計を形成できます。^[1]このシステムは、リズムのある環境でのシアノバクテリアの適応性を高めます。

1980年代半ばまでは、真核生物のみが概日リズムを持っていると考えられていました。^[2]

1985年から1986年にかけて、いくつかの研究グループが、シアノバクテリアが明暗（LD）サイクルと定常光の両方で窒素固定の毎日のリズムを示すことを発見しました。Huangと同僚のグループは、シアノバクテリアSynechococcus sp. RF-1が概日リズムを示していることを初めて明確に認識し、1986年からの一連の論文で、単細胞淡水Synechococcus sp. RF-1という同じ生物で、上記の概日リズムの3つの顕著な特徴すべてを実証しました。^{[3] [4]}もう1つの画期的な研究は、SweeneyとBorgeseの研究でした。^[5]

前述の先駆者たちの研究に触発され、近藤隆雄、カール・H・ジョンソン、スーザン・ゴールデン、石浦正弘の共同グループは、シアノバクテリアSynechococcus elongatus をルシフェラーゼレポーターで遺伝子組み換えし、リズミカルに「光る」細胞として非侵襲的にリズミカルな遺伝子発現を検査できるようにした。^{[6] [7]このシステムにより、細胞集団[6]}やシアノバクテリアの単一細胞からでも、極めて正確な概日リズムの発光を測定できるようになった。 ^[8]この図は、ペトリ皿上の多数のシアノバクテリアコロニーの発光の毎日の振動を示している。さまざまなコロニー間のリズムの同期性に注目してください。

概日時計は24時間に1回以上の速さで分裂する細胞では発現しないという予測にもかかわらず、^[9]シアノバクテリアのリズムは、5～6時間ごとに1回の分裂という速い倍増時間で増殖する培養物でも継続しています。^{[10] [11] [12]}

概日時計は自然条件下で生育する生物の適応度を高めるか？概日時計は、環境要因の日々の周期を予測し予期する能力を向上させることで、生物の適応度を高めると考えられている。しかし、この命題を厳密に検証した生物はほとんどいない。^[13] シアノバクテリアは、そのようなテストが行​​われた数少ない生物の1つである。適応度テストは、異なる概日特性（すなわち、周期性対非周期性、異なる周期など）を示すシアノバクテリア株を混合し、異なる環境条件下で競争しながら生育させることによって行われた。その目的は、適切に機能する時計システムを持つことで、競争条件下での適応度が向上するかどうかを判断することであった。その結果、機能する生物時計を持つ菌株は、周期的な明暗サイクル（例えば、12時間明期と12時間暗期が交互に繰り返される）のある環境では、周期のない菌株よりも優位に立つのに対し、「一定」の環境（例えば、一定の照明）では、周期のある菌株と周期のない菌株は同程度の成長率を示した。^[14]周期の異なる周期を持つ菌株のうち、内因性の周期が環境サイクルの周期に最も近い菌株は、周期が環境の周期と一致しない菌株よりも優位に立つことができる。^{[15]同様の結果が後に植物[16]}とマウス でも得られた。^[17]

真核生物では、遺伝子の約 10～20% が周期的に発現しています (mRNA の豊富さのリズムで測定)。しかし、シアノバクテリアでは、はるかに多くの遺伝子が概日時計によって制御されています。たとえば、ある研究では、ゲノム内のほぼすべての プロモーターの活動が周期的に制御されていることが示されています。 ^[18]この全体的な遺伝子制御が概日時計と機械的に結びついているメカニズムは、シアノバクテリアの染色体全体のトポロジーの周期的な変化と連動した転写カスケード^{[19] [20]}の時計トリガーによるものと思われます。^{[21] [22]}

S. elongatusルシフェラーゼレポーターシステムは時計遺伝子変異体のスクリーニングに使用され、その多くが単離されました。^[23]図は発見された多くの変異体のうちのいくつかを示しています。これらの変異体はコアKaiA、KaiB、KaiC時計遺伝子を同定するために使用されました。^[1]

当初、シアノバクテリアの時計機構は、真核生物の概日時計ループと概念的に類似したプロセスによって時計タンパク質が自身のプロモーターの活動を自動制御する転写および翻訳のフィードバックループであると考えられていました。 ^{[1] [24]}しかしその後、いくつかの証拠から、転写と翻訳はKaiタンパク質の概日リズムには必要ではないことが示されました。^{[25] [26] [27]}最も驚くべきことは、精製された3つのKaiタンパク質が試験管内で温度補償された概日振動を再構成できることです。^[28]

生体内では、この生化学的KaiABC発振器から遺伝子発現のリズムへの出力は、KaiCのリン酸化状態（下記参照）によって媒介され、ヒスチジンキナーゼSasAとホスファターゼCikAを含む生化学的カスケードを制御し、全体的に作用する転写因子RpaAを活性化/不活性化する。^{[19] [20]}全体的な転写プログラムに寄与する要因は染色体トポロジーのリズムであり、その中で概日時計はDNAトポロジーの劇的な概日変化を調整し、転写速度の変化を調節する。^{[21] [22] [29]}

シアノバクテリアの概日リズムシステムは、全長の時計タンパク質の構造が解明されている唯一の概日リズムシステムであるという点で、これまでのところユニークです。実際、3 つの Kai タンパク質すべての構造が決定されています。KaiCは、中央の孔が片方の端で部分的に閉じられた二重ドーナツに似た六量体を形成します。^[30] KaiCには 12 個の ATP 結合部位があり、in vitro リン酸化リズム中にリン酸化される残基が特定されています。^{[31] [32]} KaiA には 2 つの主要なドメインがあり、N 末端ドメインが C 末端ドメインと「交換」された二量体を形成します。^{[33] [34]} KaiB は、3 つの異なるシアノバクテリア種から結晶化に成功しており、二量体または四量体を形成します。^{[35] [36]}

3次元構造は、3つのKaiタンパク質がどのように相互作用し、影響し合うかについての具体的なモデルを提供することで、シアノバクテリアの時計機構の解明に役立っています。^{[30] [34] [35] [37] [38] [39] [40]}

構造的アプローチにより、 KaiA / KaiB / KaiC複合体を時間の関数として視覚化できるようになり、in vitroリン酸化リズムの洗練された数学的モデル化が可能になりました。^[41]したがって、シアノバクテリアの時計コンポーネントとそれらの相互作用は、4次元（空間に3つ、時間に1つ）で視覚化できます。KaiA / KaiB / KaiC複合体の時間的形成パターンが解明され、KaiCリン酸化パターンのサイクルとKaiA / KaiB / KaiC複合体のダイナミクスに基づくコアメカニズムの解釈も行われました。^{[42] [43]}（リン酸化/複合体サイクルのアニメーションを参照してください。）さらに、単分子法（高速原子間力顕微鏡）が適用され、1秒未満の時間スケールでKaiAとKaiCの動的相互作用をリアルタイムで視覚化し、定量化しました。^{[44]これらの相互作用は、} KaiCのマグネシウム結合を調節することで概日振動を制御します。^[45]

KaiABC リン酸化/複合体サイクルは、この生化学的概日振動子の主要な特徴、特にそれが全体的な遺伝子発現パターンを制御する出力経路にどのようにリンクできるかを説明できますが、^{[46] [19] [20]、}振動子の周期が約 24 時間である理由や、それがどのように「温度補償」されるかについては説明されていません。リン酸化/脱リン酸化反応およびタンパク質複合体の結合/解離は非常に速いのに、なぜこの生化学的振動子の周期は 24 時間ほど遅く、それでも非常に正確なのでしょうか。1 つのモデルは、周期を決定する律速反応は、KaiCによる ATP 加水分解の非常に遅い速度であるというものです。KaiCは、 24 時間あたりKaiCモノマーあたりわずか 15 個の ATP 分子という非常に遅い速度で ATP を加水分解します。このATPase活性の速度は温度補償されており、野生型および周期変異型KaiCタンパク質の活性は生体内の概日周期に正比例しており、ATPase活性が概日周期を規定していることを示唆している。そのため、一部の研究者は、KaiC ATPase活性がシアノバクテリアの概日周期の根底にある最も基本的な反応であると提案している。^[47] KaiC ATPaseの構造解析から、このATP加水分解の遅さは、溶解性水分子が不利な位置に隔離され、ATP加水分解がペプチド異性化と結合することで、ATP加水分解の活性化エネルギーが増加し、24時間のタイムスケールに遅くなることが示唆されている。^[48]

細菌の概日リズム、特にシアノバクテリアの概日リズムの文脈では、概日リズムの利点とは、環境の概日リズムと「共鳴」するシアノバクテリアの株の競争上の優位性の向上を指します。^[15]たとえば、自由走行期間 (FRP) が 24 時間の株を、自由走行期間 (FRP) が 30 時間の株と、明暗周期が 12 時間明、暗が 12 時間 (LD 12:12) の状態で共培養するとします。24 時間の FRP を持つ株は、これらの LD 12:12 条件下では、時間の経過とともに 30 時間の株よりも優位になります。一方、明暗周期が 15 時間明、暗が 15 時間の場合には、30 時間の株が 24 時間の株よりも優位になります。^[15]さらに、シアノバクテリアの律動株は24時間の明暗サイクルでは非律動株よりも優位に立つが、連続光下では非律動株は混合培養において野生型細胞と共存することができる。^[14]

十分に文書化された概日時計機構を持つ唯一の原核生物グループはシアノバクテリアです。最近の研究では、他の原核生物にも24時間の時計機構があるかもしれないと示唆されています。^[43]紫色の非硫黄細菌であるロドシュードモナス・パルストリスはその一例で、KaiBとKaiCの相同遺伝子を持ち、24時間周期の環境で適応的なKaiC依存の成長促進を示します。^[49]しかし、R. パルストリスは、一定条件下では窒素固定の固有の自由実行リズムが貧弱であることが報告されています。一定条件下でのR. パルストリスのリズムの欠如は、固有の時計機構の適応価値に影響を与えます。^[43]そのため、R. palustrisシステムは、概日時計システムの一部（kaiBおよびkaiCホモログ）を示すが、すべてではない「プロト」概日時計として提案されました。^[49]

バチルス・サブチリス には概日時計が存在するという証拠がいくつかある。ルシフェラーゼプロモーターアッセイでは、青色光受容体をコードする遺伝子であるytvAの遺伝子発現パターンが概日時計の基準を満たしていることが示された。しかし、バチルス・サブチリスにおける時計の確固たる実証はまだなく、バチルス・サブチリスにおける概日遺伝子調節の潜在的なメカニズムは不明のままである。^[50]

もう一つの興味深い例は、マイクロバイオームのケースです。腸内細菌叢の行動には概日時計が役割を果たしている可能性があります。これらの微生物は、宿主が毎日のルーチンで食事をするため（昼行性の動物の場合は日中に、夜行性の宿主の場合は夜間に摂取）、毎日変化を経験します。毎日のタイムキーパーの存在により、腸内細菌は宿主から供給される資源を時間的に予測でき、それによってそれらの細菌種は腸内の他の種に対して競争上の優位性を得ることができます。一部の細菌は、メラトニンの形で宿主の概日時計からヒントを得ることが知られています。^{[43]腸内細菌叢の乱れは、ヒトの}腸内細菌叢の多くの疾患に関連していることが証明されています。したがって、健康な腸内細菌叢を維持することは、私たちの健康にとって非常に重要です。宿主の概日時計の概日リズムは、温度変化、栄養素、特定のホルモン、胆汁酸レベル、免疫システム機能など、腸内環境の約24時間周期の多くの要因を制御します。^{[51] [52] [43]}フィルミクテスやバクテロイデスなどの腸内細菌の相対的な豊富さは、明確な日周期を示しています。^[53]時計成分の機能不全を伴う不整脈マウスでは、このリズムは消失します。時差ぼけや睡眠不足は、マイクロバイオームの日周振動の乱れにつながる可能性がありますが、その変化は通常劇的ではありません。^{[54] [55] [56]}

この相互作用は双方向性があり、腸内細菌叢は宿主にも作用する。例えば、抗生物質は腸内細菌の腸上皮へのリズミカルな付着に影響を与え、その結果、腸内や肝臓における宿主のクロマチンと転写の振動を再配線する。^[57]

この分野における現在の研究の一部は、腸内細菌が固有の概日リズムを持っているかどうかに焦点を当てています。もしそうであれば、研究者は、細菌が宿主の摂食パターンをツァイトゲバーとして利用しているのではないかと推測しています。マウスを対象とした長期研究で、宿主の律動的および非律動的摂食行動が、抗生物質治療からの腸内細菌叢の回復に異なる形で寄与しているかどうかを判定しました。 ^[58]研究者らは、抗生物質除去後の律動的行動が腸内細菌叢の完全な回復を促進することを発見しました。一方、抗生物質除去後の非律動的行動は、腸内細菌叢の適切な回復を妨げます。代わりに、この行動は、元の状態とは異なる新しい安定した状態への細菌叢の回復を促進します。気分関連の神経伝達物質セロトニンを調節することが証明されているTuricibacter^属[59]は、過剰に回復することがわかりました。この効果により腸内のセロトニン濃度が低下し、腸内細菌叢が宿主の精神的健康に影響を及ぼす可能性がある。

ヒトの腸内には4,616種の細菌が確認されています。^[60]そのうちクレブシエラ・アエロゲネスと枯草菌の2種のみが現在概日時計を持っていると報告されています。^{[50] [61] [62]} 他の腸内細菌も概日時計を持っているのではないかと疑われています。

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