スティーブン・M・レパート

レパートらは、視交叉上核（SCN）には自律的な単一細胞概日振動子が多数存在することを発見した。^{[ 8 ]}彼らは、新生児ラットのSCNから細胞を採取し、固定された微小電極アレイ上で培養することで、培養中の個々のSCNニューロンの活動をモニタリングした。同じ培養内のニューロンが示す概日リズムは同期しておらず、互いに独立して機能していることが示された。

レパートらは、マウスの時計遺伝子mPer2とmPer3も発見し、その機能を解明した。彼らは、mPER2とmPER3のタンパク質、および以前に発見されたmPER1が、互いに、そしてショウジョウバエのPERといくつかの相同領域を共有していることを発見した。^{[ 9 ] [ 10 ]}レパートらは、3つのPer遺伝子間で異なる光応答を発見した。 ^{[ 10 ]} mPer1とmPer2のmRNAレベル とは異なり、mPer3のmRNAレベルは主観的な夜間の光曝露によって急激に変化しない。彼らはまた、mPer1～3が脳以外の組織、肝臓、骨格筋、精巣などで広く発現していることを発見した。mPER1～3の機能を決定するために、レパートらはそれらをコードする3つの遺伝子を破壊した。^{[ 11 ]}二重変異マウスを用いて、mPER3は概日時計の中核機構の外で機能するのに対し、mPER1とmPER2は両方ともリズム性に必要であることを示した。

レパートらは、マウスの2つのクリプトクロムmCRY1とmCRY2が時計遺伝子発現の主要な転写抑制因子として機能し、mPERタンパク質がCRYの核内移行に必要であることを発見した。^{[ 12 ]}この研究は、マウスの分子時計を駆動する主要な歯車として、負の転写フィードバックループを初めて示した。^{[ 13 ]}

レパートらは、哺乳類の視交叉上核（SCN）の中核的なメカニズムは、相互作用する正と負の転写フィードバックループから成り立っていることを発見した。^{[ 14 ]}最初のループは、mCRYタンパク質がmCryおよびmPer遺伝子の転写を負に制御する自己制御的な負の転写フィードバックループである。2番目の相互連動フィードバックループは、Bmal1のリズミカルな制御に関係している。Bmal1のリズミカル性は時計機能には必須ではないが、リズミカル性の頑健性を調節するのに役立つ。

レパートらは、転写因子CLOCKとNPAS2がSCNで重複した役割を担っていることを発見し、NPAS2の新たな予期せぬ役割を明らかにした。^{[ 15 ]}彼の研究室は、CLOCK欠損マウスが行動リズムと分子リズムを維持していることを観察し、マウスの運動活動における概日リズムにはCLOCKが必須ではないことを明らかにした。次に、CLOCK欠損マウスを調査することで、NPAS2がCLOCKのパラログであり、BMAL1と二量体を形成することでCLOCKを機能的に代替できることを突き止めた。最後に、CLOCK欠損マウス、NPAS2欠損マウス、および二重変異マウスを調査することで、末梢振動子における概日リズムにはCLOCKが必要であることを発見した。^{[ 15 ]} このように、CLOCKとNPAS2の間には組織依存的な根本的な違いがある。

ショウジョウバエと哺乳類の両方の特徴を持つオオカバマダラの時計機構モデルは、2つの異なるCRYタンパク質を使用している点で独特です。総説論文^{[ 28 ]}で紹介されているように、遺伝子/タンパク質レベルでの時計機構は次のように機能します。

• 自己調節的な転写フィードバックループにおいて、CLOCK（CLK）とCYCLE（CYC）のヘテロ二量体が形成され、 Per、Tim、およびCry2遺伝子の転写を促進する。
• TIM、PER、およびCRY2タンパク質は翻訳され、細胞質内で複合体を形成する。
• 24時間後、CRY2は核に戻り、CLK:CYCの転写を阻害する。
• 一方、PERは徐々にリン酸化され、それがCRY2の核内移行を促進する可能性がある。
• CRY1タンパク質は概日リズムに関わる光受容体であり、光にさらされるとTIMの分解を引き起こし、光が中枢時計機構にアクセスして光同調を行うことを可能にする。

レパートの研究室は、触角がオオカバマダラの渡りに役割を果たしているというフレッド・アークハートの仮説をさらに発展させた。2009年、レパートと共同研究者のクリスティン・マーリンとロバート・ゲギアは、時間補償時計は脳にのみ存在するという従来の想定に反して、触角にも時計が存在し、「渡りをするオオカバマダラの適切な時間補償太陽コンパス方向付けに必要である」と報告した。^{[ 33 ]} 彼らは、触角が intact な渡りをするオオカバマダラと触角が除去された渡りをするオオカバマダラの太陽コンパス方向付けを比較することで、この結論に至った。^{[ 33 ]}レパートの研究室はまた、触角を試験管内で研究し、触角時計は光によって直接同調され、脳とは独立して機能できることを発見した。^{[ 33 ]}しかし、オオカバマダラの触角にある概日時計と脳にある太陽コンパスとの相互作用については、さらなる研究が必要である。

2012年、レパートらは、太陽コンパスによる方向定位には1本の触角だけで十分であることを突き止めた。彼らは、2本の触角間で光の照射に不一致が生じるように片方の触角を黒く塗ることでそれを証明した。塗られていない1本の触角だけで方向定位は可能だった。4つの時計遺伝子（per、tim、cry1、cry2）はすべて触角のさまざまな研究領域で発現しており、「光同調型概日時計はオオカバマダラの触角の全長にわたって分布している」ことを示唆している。^{[ 34 ]}

2013年に、レパートとパトリック・ゲラは、春の渡り鳥もアンテナ依存型の時間補償太陽コンパスを使用して、メキシコから米国南部への北向きの飛行方向を定めていることを示した。^{[ 35 ]}

レパートの研究室で働いていたスタンリー・ハインツは、オオカバマダラの脳の解剖学的および電気生理学的研究を用いて、中枢脳の正中線構造である中心複合体が太陽コンパスの場所である可能性が高いという証拠を提供した。^{[ 36 ]}

レパートと同僚のパトリック・ゲラとロバート・ゲギアは、渡りをするオオカバマダラが曇りの日でも光依存型の傾斜に基づく磁気コンパスを使って航行できることを示した。^{[ 37 ]}クリスティン・マーリンの研究室の遺伝学的研究では、光受容性CRY1タンパク質がオオカバマダラの光感受性磁気コンパスに不可欠であることが示されている。^{[ 38 ]}オオカバマダラで逆遺伝学をうまく利用すれば、この蝶がコンパス航行における光依存型磁気感知の分子メカニズムを解明するのに最適な選択肢となるだろう。

レパートとパトリック・ゲラは、越冬に似た寒さに時期尚早にさらされた秋の渡り鳥が、北への飛行方向を逆転させることを示した。越冬地の温度微環境は、渡りのサイクルを成功裏に完了するために不可欠である。寒さにさらされなければ、老齢の渡り鳥は南に向かって飛行を続ける。寒さが春の再渡り鳥の北向きの飛行方向を引き起こすという発見は、渡りが気候変動に対してどれほど脆弱であるかを強調している。^{[ 39 ] [ 40 ]}

2011年、レパートらはオオカバマダラのゲノムのドラフト配列と16,866個のタンパク質コード遺伝子のセットを発表した。これは、蝶類および長距離渡り鳥種として初めて特徴づけられたゲノムである。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}

2012年、レパートらはオオカバマダラのゲノムに関する統合データベースであるMonarchBaseを設立した。このプロジェクトの目標は、オオカバマダラのゲノムおよびプロテオーム情報を生物学および鱗翅目研究者コミュニティが利用できるようにすることであった。^{[ 44 ]}

2013年、クリスティン・マーリンとスコット・ウルフはレパートの研究室で、オオカバマダラにおける新しい遺伝子ターゲティング手法を開発し、亜鉛フィンガーヌクレアーゼ戦略を用いて鱗翅目昆虫の時計機能におけるCRY2の必須性を明らかにした。^{[ 45 ]} Cry2の標的変異誘発は、実際に生体内で概日行動と分子時計機構の破壊をもたらした。マーリンの研究室でのさらなる研究により、ヌクレアーゼ戦略はオオカバマダラの他の時計遺伝子を標的とし、遺伝子機能を変化させるための強力なツールであることが示された。^{[ 46 ]}

2016年、レパートはシカゴ大学のマーカス・クロンフォルストらと共同で、集団遺伝学的研究を用いてオオカバマダラの渡りの進化史を解明した。^{[ 47 ]}