基本ヘリックス・ループ・ヘリックスARNT様タンパク質1

SIRT1は、脱アセチル化を介して概日リズムでBMAL1:CLOCKヘテロ二量体の転写活性を阻害することにより、PERタンパク質の分解を調節する。^{[ 15 ]} PERタンパク質の分解は、大きなタンパク質複合体の形成を妨げ、BMAL1:CLOCKヘテロ二量体の転写活性の阻害を解除する。CRYタンパク質もまた、 FBXL3タンパク質からのポリユビキチン化によって分解のシグナルを受け、その結果、BMAL1:CLOCKヘテロ二量体の活性の阻害が解除される。^{[ 16 ]}

概日リズム調節TTFLループに加えて、Bmal1の転写は、 Bmal1プロモーター内のレチノイン酸関連オーファン受容体応答エレメント結合部位（RORE）への競合的結合によって調節される。CLOCK/BMAL1ヘテロ二量体は、 Rev-ErbαおよびRORα/β遺伝子のプロモーター領域のEボックスエレメントにも結合し、REV-ERBおよびRORタンパク質の転写と翻訳を上方制御する。REV-ERBαおよびRORタンパク質は、二次フィードバックループを介してBMAL1の発現を調節し、Bmal1プロモーター内のRev-Erb /ROR応答エレメントへの結合を競合し、結果としてBMAL1の発現はREV-ERBαによって抑制され、RORタンパク質によって活性化される。同じファミリーの他の核内受容体（NR1D2（Rev-erb-β）、NR1F2（ROR-β）、およびNR1F3 （ROR-γ））も、同様の方法でBmal1の転写活性に作用することが示されている。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

BMAL1 のいくつかの翻訳後修飾は、 CLOCK/BMAL1 フィードバック ループのタイミングを決定します。BMAL1のリン酸化は、ユビキチン化と分解、および脱ユビキチン化と安定化の標的となります。BMAL1のアセチル化は、CRY1 をリクルートして CLOCK/BMAL1 の転写活性化を抑制します。^{[ 21 ]}小さなユビキチン関連修飾因子 3による BMAL1 のSUMO化は、核内でのユビキチン化をシグナルし、CLOCK/BMAL1 ヘテロ二量体の転写活性化につながります。^{[ 22 ]} CLOCK/BMAL1 の転写活性化は、カゼインキナーゼ 1ε によるリン酸化によって活性化され、MAPK によるリン酸化によって阻害されます。^{[ 23 ] [ 24 ]} CK2αによるリン酸化はBMAL1の細胞内局在を調節し^{[ 25 ]} 、 GSK3Bによるリン酸化はBMAL1の安定性を制御し、ユビキチン化の準備を整える。^{[ 26 ]}

2004年、Roraは視交叉上核（SCN）内でBmal1転写の活性化因子であり、そのコアクロックによって制御されていることが発見された。 ^{[ 27 ]} Roraは、正常なBmal1発現と日周運動活動の統合に必要であることがわかった。^{[ 27 ]}このことから、オーファン核内受容体RORAとREV-ERBα（後者はBmal1発現を抑制する）の相反する活性が、概日時計機能の維持に重要であることが示唆される。^{[ 27 ]}現在、Roraは自閉症との関連性について研究されており、これは概日調節因子としての機能の結果である可能性がある。^{[ 28 ]}

ヒトやマウスなどの哺乳類に加えて、Arntl遺伝子のオルソログは魚類 (AF144690.1)、^{[ 29 ]}鳥類 ( Arntl )、^{[ 30 ]}爬虫類、両生類 (XI.2098)、ショウジョウバエ( Cycle、相同な C 末端ドメインを欠くが CLOCK タンパク質と二量体を形成するタンパク質をコードする) ^{[ 31 ]}にも見られる。哺乳類のArntlとは異なり、概日リズムで調節されるショウジョウバエのCycle (遺伝子)は構成的に発現している。^{[ 32 ]}ヒトでは、この遺伝子について 2 つの異なるアイソフォームをコードする 3 つの転写バリアントが見つかっている。^{[ 11 ]} これらの転写バリアントの重要性は不明である。

Arntl遺伝子はラットの染色体1の高血圧感受性遺伝子座内に位置しています。この遺伝子座内の単一ヌクレオチド多型（SNP）の研究では、Arntlをコードする配列に2つの多型が存在し、 2型糖尿病と高血圧に関連していることがわかりました。ラットモデルからヒトモデルにこの研究を適用すると、Arntl遺伝子変異が2型糖尿病の病態に原因的な役割を果たしていることが示唆されます。^{[ 33 ]}最近の表現型データも、この遺伝子^{[ 34 ]}とそのパートナーであるClock ^{[ 35 ]}がグルコース恒常性と代謝の調節に役割を果たしており、それが阻害されると低インスリン血症や糖尿病につながる可能性があることを示唆しています。^{[ 36 ]}

他の機能に関して、別の研究では、CLOCK/BMAL1複合体がヒトLDLRプロモーター活性を上方制御することが示されており、Arntl遺伝子もコレステロール恒常性に役割を果たしていることが示唆されています。^{[ 37 ]} さらに、BMAL1は興奮性や発作閾値に影響を与えることが示されています。^{[ 38 ]}また、双極性障害患者では、他のコアクロック遺伝子とともにBMAL1遺伝子発現が低いことが発見されており、これらの患者の概日機能に問題があることが示唆されています。^{[ 39 ]} Bmal1のSNPは双極性障害と関連していることが特定されています。^{[ 40 ]} Arntl、Npas2、Per2もヒトの季節性感情障害と関連付けられています。 ^{[ 41 ]}アルツハイマー病患者ではBMAL1メチル化のリズムが異なり、その調節異常が認知機能障害の一因となっていることが示唆されています。^{[ 42 ]}また、BMAL1と他の時計遺伝子が自閉症スペクトラム障害（ASD）に関連する時計制御遺伝子の発現を促進することも研究で示されています。^{[ 43 ]}最後に、BMAL1は機能的遺伝子スクリーニングによりp53腫瘍抑制経路の推定調節因子として同定されており、がん細胞が示す概日リズムへの関与の可能性が示唆されています。^{[ 44 ] [ 45 ]}

多発性硬化症（MS）の動物モデル、すなわち実験的自己免疫性脳脊髄炎（EAE）モデルでは、日周リズムが疾患病態に重要な役割を果たすことが示されている。^{[ 46 ]}マウスをミエリンオリゴデンドロサイト糖タンパク質（MOG）ペプチドで能動免疫してEAEを誘発する方が、活動期に誘発するよりも効率的である。^{[ 47 ]} EAE誘発の差異は、T細胞および骨髄系細胞におけるBMAL1の発現に大きく依存している。T細胞または骨髄系細胞特異的なBmal1の欠失は、より重篤な病態を引き起こし、安静時と活動期の誘発効果を消失させるのに十分であることが示されている。^{[ 47 ]}

哺乳類のBMAL1遺伝子によってコードされるタンパク質は、PASドメインを介して2番目のbHLH-PASタンパク質であるCLOCK（またはそのパラログであるNPAS2）と結合し、核内でヘテロ二量体を形成する。^{[ 16 ]このヘテロ二量体は、 BHLH}ドメインを介して、Per（Per1およびPer2）およびCry遺伝子（^Cry1およびCry2 ）のプロモーター領域にあるEボックス応答エレメントに結合する。^{[ 16 ]この結合により、} Per1、Per2、Cry1およびCry2 mRNAの転写が上方制御される。

PERタンパク質とCRYタンパク質が十分な量まで蓄積すると、PASモチーフを介して相互作用し、核内へ移動してCLOCK:BMAL1ヘテロ二量体の転写活性を阻害する大きな抑制複合体を形成する^{[ 50 ]。}これにより、 Per遺伝子とCry遺伝子の転写のヘテロ二量体による活性化が阻害され、PERタンパク質とCRYタンパク質のレベルが低下する。この転写-翻訳負のフィードバックループ(TTFL)は、細胞質内でカゼインキナーゼ1εまたはδ( CK1εまたはCK1δ)によるPERタンパク質のリン酸化によって調節され、これらのタンパク質は26Sプロテアソームによる分解の標的となる。^{[ 16 ] [ 51 ]}夜行性マウスのTTFLループでは、Bmal1遺伝子の転写レベルは主観的夜間の中央、CT18でピークに達し、Per、Cry、およびその他の時計制御遺伝子の転写レベルは主観的昼間の中央、CT6でピークに達するのと逆位相である。このプロセスは約24時間の周期で起こり、この分子メカニズムがリズミカルであるという考えを裏付けている。^{[ 52 ]}

基本ヘリックス・ループ・ヘリックスARNT様タンパク質1、またはより一般的にはBmal1として知られるタンパク質は、ClockおよびNpas2タンパク質とヘテロ二量体を形成すると、Eボックス要素を介して概日リズムの遺伝子発現を調節する転写因子をコードしています。^{[ 53 ]}環境の合図に同期させることで、さまざまな生理学的プロセスのタイミングを決定します。^{[ 54 ]}この調整の中心は、哺乳類では特に視交叉上核（SCN）です。^{[ 54 ] Bmal1の欠陥は、睡眠障害[ 55 ] 、代謝障害[ 56 ]}、免疫機能障害^{[ 57 ]} 、および腫瘍形成に関連するさまざまな臓器系にわたる概日リズムの乱れを引き起こします。^{[ 58 ]} Bmal1 の概日リズムの調節は、母体の概日コミュニケーションを介して、排卵、受精、胚および胎児の発達などの生殖生理に影響を与えます。^{[ 59 ]}研究では、Bmal1 を欠損したマウスは、不規則な周期や生殖能力の低下などの生殖機能不全を示すことが示唆されています。^{[ 60 ]}シフト勤務と慢性的な時差ぼけは、早産、低出生体重、妊娠糖尿病などの結果と相関することが示唆されています。^{[ 61 ]}マウスの遺伝子ノックアウトモデルは、転写翻訳フィードバックループにおける Bmal1 の役割と、その欠損が概日リズムやその他の生理学的プロセスに及ぼす影響を理解するのに役立っています。^{[ 62 ]}これらのノックアウトモデルは、個別化されたヘルスケアと疾病予防に関する新たな知見を明らかにするのに役立っています。^{[ 63 ]}