振動する遺伝子

分子生物学において、振動遺伝子とは、リズミカルなパターンまたは周期的なサイクルで発現する遺伝子のことである。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}振動遺伝子は通常概日リズムであり、生物の状態の周期的な変化によって識別できる。 振動遺伝子によって制御される概日リズムは、約24時間の周期を持つ。例えば、植物の葉が1日の異なる時間に開閉することや、動物の睡眠・覚醒スケジュールはすべて概日リズムを含む。概月リズムによる29.5日や概潮汐リズムによる12.4時間など、他の周期も可能である。^{[ 3 ]}振動遺伝子には、コアクロック構成要素遺伝子と出力遺伝子の両方が含まれる。コアクロック構成要素遺伝子は、ペースメーカーに必要な遺伝子である。しかし、AVP遺伝子などの出力振動遺伝子は、リズミカルではあるが、ペースメーカーには必要ない。^{[ 4 ]}

振動する遺伝子の最初の記録は、紀元前4世紀のアレクサンドロス大王の遠征に由来する^{[ 5 ]。} この時、アレクサンドロスの将軍の一人であるアンドロステネスは、タマリンドの木が日中に葉を開き、日没時に葉を閉じると記した^{[ 5 ]} 。 1729年まで、振動する遺伝子に関連するリズムは「周期的な環境に対する受動的な反応」であると考えられていた^{[ 3 ]} 。 1729年、ジャン＝ジャック・ドルトゥス・ド・マイランは、日光が届かない場所に置かれても、植物の葉の開閉のリズムが続くことを実証した。これは、振動に能動的な要素があることを示す最初の兆候の一つであった。 1923年、インゲボルグ・ベリングは、振動を動物、特にミツバチにまで拡張した論文「ミツバチの時間記憶について」を発表しました^{[ 6 ]。} 1971年、ロナルド・コノプカとシーモア・ベンザーは、 PERIOD遺伝子の突然変異が一定条件下でのハエの概日リズムの変化を引き起こすことを発見しました。彼らは、この遺伝子の突然変異が基本的な振動メカニズムに影響を与えていると仮説を立てました^{[ 7 ]} 。ポール・ハーディン、ジェフリー・ホール、マイケル・ロスバッシュは、PERIOD遺伝子内に振動を制御するフィードバック機構があることを発見することで、その関係を実証しました^{[ 8 ]} 。 1990年代半ばには、CLOCK、CRYなどが振動遺伝子のリストに追加され、発見が殺到しました^{[ 9 ] [ 10 ] 。}

振動する遺伝子の背後にある主要な分子メカニズムは、転写/翻訳フィードバックループとして最もよく説明できます。^{[ 11 ]}このループには、遺伝子発現を増加させる正の調節因子と、遺伝子発現を減少させる負の調節因子の両方が含まれています。^{[ 12 ]}これらのループの基本要素は、さまざまな門にわたって見られます。たとえば、哺乳類の概日時計では、転写因子CLOCKとBMAL1が正の調節因子です。^{[ 12 ]} CLOCKとBMAL1は、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2などの振動する遺伝子のEボックスに結合し、それらの転写を上方制御します。 ^{[ 12 ]} PERとCRYが細胞質でヘテロ複合体を形成して再び核に入ると、それらは自身の転写を阻害します。^{[ 13 ]} これは、時間の経過とともにPERとCRYのmRNAとタンパク質レベル、またはこのメカニズムの下にある他の振動遺伝子のレベルが振動することを意味します。

また、Bmal1の周期的な発現を調節する二次的なフィードバックループ、または「安定化ループ」も存在する。^{[ 12 ]}これは、それぞれBmal1の転写を抑制および活性化する2つの核内受容体、REV-ERBおよびRORによって引き起こされる。^{[ 12 ]}

これらのフィードバックループに加えて、翻訳後修飾も概日時計の周期などの特性の変化に役割を果たします。^{[ 13 ]}フィードバック抑制が全くない場合、分子時計の周期はわずか数時間になります。^{[ 12 ]}カゼインキナーゼメンバーCK1εとCK1δはどちらも、概日調節に関与する哺乳類のタンパク質キナーゼであることがわかっています。^{[ 12 ]}これらのキナーゼの変異は、家族性睡眠相前進症候群（FASPS）と関連しています。^{[ 14 ]}一般的に、リン酸化はユビキチンリガーゼを介したPERの分解に必要です。^{[ 15 ]}対照的に、CK2を介したBMAL1のリン酸化はBMAL1の蓄積に重要です。^{[ 16 ]}

このセクションで紹介する遺伝子は、世界中に存在する膨大な数の概日リズム調節遺伝子のごく一部にすぎません。これらの遺伝子は、それぞれの分類における概日リズムの調節において最も重要な遺伝子であると判断されたため、選定されました。

• 時間生物学