クロック

CLOCK-BMAL二量体は、他の遺伝子の調節やフィードバックループに関与している。酵素SIRT1もCLOCK-BMAL複合体に結合し、Bmal1と周囲のヒストンの脱アセチル化によってその活性を抑制する働きをする。^{[ 15 ]}しかし、SIRT1の役割は依然として議論の的となっており、PERタンパク質の脱アセチル化にも関与し、分解の標的としている可能性もある。^{[ 16 ]}

The CLOCK-BMAL dimer acts as a positive limb of a feedback loop. The binding of CLOCK-BMAL to an E-box promoter element activates transcription of clock genes such as per1, 2, and 3 and tim in mice. It has been shown in mice that CLOCK-BMAL also activates the Nicotinamide phosphoribosyltransferase gene (also called Nampt), part of a separate feedback loop. This feedback loop creates a metabolic oscillator. The CLOCK-BMAL dimer activates transcription of the Nampt gene, which codes for the NAMPT protein. NAMPT is part of a series of enzymatic reactions that covert niacin (also called nicotinamide) to NAD. SIRT1, which requires NAD for its enzymatic activity, then uses increased NAD levels to suppress BMAL1 through deacetylation. This suppression results in less transcription of the NAMPT, less NAMPT protein, less NAD made, and therefore less SIRT1 and less suppression of the CLOCK-BMAL dimer. This dimer can again positively activate the Nampt gene transcription and the cycle continues, creating another oscillatory loop involving CLOCK-BMAL as positive elements. The key role that Clock plays in metabolic and circadian loops highlights the close relationship between metabolism and circadian clocks.^[17]

The first circadian rhythms were most likely generated by light-driven cell division cycles in ancestral prokaryotic species.^[18] This proto-rhythm later evolved into a self-sustaining clock via gene duplication and functional divergence of clock genes. The kaiA/B/C gene clusters remain the oldest of the clock genes as they are present in cyanobacteria, with kaiC most likely the ancestor of kaiA and kaiB.^[18] The function of these ancestral clock genes was most likely related to chromosome function before evolving a timing mechanism.^[18] The kaiA and kaiB genes arose after cyanobacteria separated from other prokaryotes.^[19] Harsh climate conditions in the early history of the Earth's formation, such as UV irradiation, may have led to the diversification of clock genes in prokaryotes in response to drastic changes in climate.^[19]

クリプトクロムは、 Cry遺伝子によって制御される光感受性タンパク質であり、カンブリア爆発以前のゲノム重複によって生じたkaiCの子孫である可能性が最も高く、概日時計の負の制御に関与している。他の異なる時計遺伝子系統は脊椎動物の進化の初期に発生し、遺伝子BMAL1はCLOCKのパラログである。しかし、それらの共通祖先は、約5億年前の昆虫と脊椎動物の分岐よりも前に存在していた可能性が最も高い。 ^{[ 18 ]}真菌ゲノムに見られるCLOCK/BMAL1の類似体であるWC1は、真菌と動物の分岐よりも前に存在した共通祖先の候補として提案されている。^{[ 18 ]} 2004年の時計遺伝子進化のレビューで行われたBLAST検索では、Clock遺伝子はBMAL1遺伝子の重複から生じた可能性があることが示唆されたが、この仮説は推測の域を出ない。^{[ 18 ]}別の説では、NPAS2遺伝子はCLOCKのパラログであり、概日リズム経路において同様の役割を果たすが、異なる組織で機能すると提唱されている。^{[ 20 ]}

特にClock1a遺伝子内の対立遺伝子変異は、コイ科魚類の集団で行われた2014年の研究によると、季節的なタイミングに影響を与える可能性があると推測されている。^{[ 21 ]}この遺伝子の多型は主にPolyQドメイン領域の長さに影響を与え、生態的ニッチを共有する種が季節的に変動する環境で資源を分割するという分岐進化の例を示している。 ^{[ 21 ]} PolyQドメインの長さはCLOCKの転写レベルの変化と関連している。平均して、対立遺伝子の長さが長いほど、最近派生した種や産卵が早い種と相関しており、これはおそらく水温の季節的な変化によるものと考えられる。^{[ 21 ]}研究者らは、ドメインの長さがCLOCK転写の速度を変えることで温度の変化を補償する役割を果たす可能性があると推測している。他のすべてのアミノ酸は在来種間で同一のままであり、機能的制約が遺伝子重複や多様化に加えてCLOCK遺伝子の進化に影響を与えるもう1つの要因である可能性を示している。^{[ 20 ] [ 21 ]}

2017年の研究では、ニューロンにおけるCLOCK発現の役割を調査し、ヒトの脳の進化に関する洞察を提供する可能性のある転写ネットワークの調節におけるその機能を解明した。^{[ 22 ]}研究者らは、分化したヒトニューロンを試験管内で合成し、遺伝子ノックダウンを実行して、ニューロン細胞のシグナル伝達に対するCLOCKの影響をテストした。CLOCK活性が阻害されると、新皮質の組織のニューロン移動の増加が観察され、ヒトの脳の発達に特有の皮質拡大の分子メカニズムを示唆した。^{[ 22 ]}しかし、皮質ニューロンの代謝調節におけるCLOCKの正確な役割はまだ解明されていない。成人における3'側隣接領域のCLOCK多型と朝/夕方の好みとの関係を調べた別の研究では、スコア付き質問票で提供された回答に基づいて、3111Cアレルを持つ被験者と夕方の時間帯を好むこととの間に相関関係があることがわかった。^{[ 23 ]}この領域はマウスとヒトの間でよく保存されており、多型はmRNAの安定性に影響を与えることが示されており、対立遺伝子変異が哺乳類の正常な概日リズムを乱し、不眠症やその他の睡眠障害などの状態を引き起こす可能性があることを示唆している。^{[ 23 ]}

ショウジョウバエでは、1998年にアラダ、ホール、ロスバッシュらがCLOCKの変異型（Jrk）を同定した。研究チームは順遺伝学的手法を用いて、変異体ショウジョウバエにおける非概日リズムを特定した。Jrkは、 CLOCKタンパク質の活性化ドメインを消失させる早期終止コドンによって生じる。この変異は優性効果を示し、この変異遺伝子を持つヘテロ接合体のショウジョウバエの半数は周期が24.8時間と長くなり、残りの半数はリズムが消失する。ホモ接合体のショウジョウバエは概日リズムを失う。さらに、同じ研究者らは、これらの変異体ショウジョウバエではPERタンパク質とTIMタンパク質の発現レベルが低いことを示し、CLOCKが概日ループにおける正の要素として機能していることを明らかにした。この変異はショウジョウバエの概日時計に影響を与えるが、生理学的または行動的な欠陥は引き起こさない。^{[ 25 ]} Jrkとそのマウス相同遺伝子の類似した配列は、ショウジョウバエとマウスの祖先に共通の概日リズム成分が存在していたことを示唆している。Clockの劣性対立遺伝子は、検出可能な分子および転写振動を維持しながら、行動の不規則性を引き起こす。これは、 Clkが概日リズムの振幅に寄与していることを示唆している。 ^{[ 26 ]}

Jrk変異体のマウス相同体は、Clock遺伝子のエクソン19に欠失を持つClockΔ19変異体である。この優性阻害変異は、欠陥のあるCLOCK-BMAL二量体をもたらし、マウスのper転写活性化能力を低下させる。常時暗条件下では、Clock変異アレルをヘテロ接合で持つClockΔ19マウスは概日周期が長くなるが、アレルをホモ接合で持つClockΔ19/Δ19マウスは不整脈になる。 ^{[ 8 ]}ヘテロ接合体とホモ接合体の両方において、この変異は単一細胞レベルでも周期の延長と不整脈を引き起こす。^{[ 27 ]}

Clock -/-ヌル変異マウス（ Clockがノックアウトされている）は、完全に正常な概日リズムを示す。野生型表現型を持つヌルClock変異体の発見は、 Clockが正常な概日機能に必要であるという広く受け入れられている前提に直接的に異議を唱えた。さらに、CLOCK-BMAL1二量体は概日経路の他の要素を調節するために存在しなくてもよいことを示唆した。^{[ 28 ]}神経PASドメイン含有タンパク質2（NPAS2、CLOCKパラログ^{[ 29 ]} ）は、これらのClockヌルマウスでCLOCKの代わりとなることができる。NPAS2アレルを1つ持つマウスは、最初は周期が短かったが、最終的には不整脈行動を示した。^{[ 30 ]}