クリプトクロム

クリプトクロム（Cryptochrome, Cry）は、主に青い光を感知する働きを持つタンパク質の一種です。その名前はギリシャ語で「隠れた色素」を意味し、かつては植物にのみ存在すると考えられていました。しかし、その後の研究により、緑藻類から高等植物、さらには昆虫や哺乳類といった動物、そしてシアノバクテリアに至るまで、様々な生物に類似のタンパク質が存在することが明らかになっています。ただし、植物にはクリプトクロムとは別に、光屈性などを司るフォトトロピンという別の青色光受容体も存在します。

クリプトクロムはフラビンタンパク質に分類され、植物においては光が引き起こす花芽の形成、茎や葉の伸長、そして体内時計である概日リズムの調節などに深く関与しています。青色光によって引き起こされる植物の光屈性反応については、クリプトクロムではなくフォトトロピンが主な役割を担うことが分かっています。また、植物にはこれら青色光受容体とは別に、赤色や近赤外光を感じ取るフィトクロムという受容体も存在します。多くの植物では、クリプトクロムにはCRY1とCRY2という二つのタイプが見られます。

構造と進化

クリプトクロムは、光のエネルギーを利用してDNAの損傷を修復する働きを持つ細菌の酵素、フォトリアーゼと構造が非常に似ており、進化の過程でフォトリアーゼから派生したと考えられています。真核生物に存在するクリプトクロムは、元のフォトリアーゼのような酵素活性は持っていません。クリプトクロム分子は、プテリンとフラビンという二つの色素団を含んでいます。光子を吸収するのはまずプテリンで、これにより放出された電子がフラビンに伝達されます。この電子移動がクリプトクロム分子の構造変化やリン酸化を引き起こし、その後のシグナル伝達の開始点となると考えられていますが、詳細なメカニズムについてはまだ不明な点が多いです。

哺乳類などの動物やシアノバクテリアで見つかっているクリプトクロムは、植物のものとは異なる系統に属するとされています（Zhu, et al., 2005）。

機能

概日リズムの調節

クリプトクロムの最もよく知られた機能の一つは、生物の概日リズム、すなわち約24時間周期の体内時計の調節です。

哺乳類: 哺乳類には主にCRY1とCRY2の二つのタイプが存在します。これらのクリプトクロムは光を直接受容する能力を持たないとされていますが、体内時計の中核的なメカニズムである転写・翻訳フィードバックループにおいて、CLOCKとBMAL1という他の時計遺伝子によって活性化される転写を抑制する重要な役割を果たします。CRY1には特定の変異（CRY1Δ11）が存在し、これが体内時計の周期を遅らせ、睡眠相後退症候群といった睡眠障害に関与する可能性が示唆されています。
昆虫: キイロショウジョウバエのクリプトクロム（dCry）は青い光を直接受容することができ、概日リズムを環境の光周期に合わせる（リセットする）働きをします。ただし、哺乳類型のような他の時計タンパク質を抑制する機能は持ちません。蝶やミツバチなど他の昆虫では、哺乳類型とショウジョウバエ型の両方のクリプトクロムを持つ種も存在します。

植物における光応答

植物のクリプトクロムは、青色光に対する様々な応答を媒介します。

光形態形成: 種子の発芽から苗の成長、そして花の咲く時期への移行など、植物の形や成長を光によって制御する光形態形成に関与します。特に、最適な光環境ではない条件下での植物の生育に重要な役割を果たします。
光屈性: 青色光に向かって植物体が曲がる光屈性にも関わるとされますが、この現象は主にフォトトロピンによって引き起こされます。クリプトクロムは光を受けて活性化すると細胞核へ移行し、細胞の膨圧や茎の伸長に影響を与えると考えられています。

磁気受容の可能性

一部の動物においては、クリプトクロムが地球の磁場を感知する能力（磁気受容）に関与する可能性が研究されています。渡り鳥の磁気コンパスや、ショウジョウバエの光に依存した磁場感知能力にクリプトクロムが不可欠であるという実験データがあります。光を浴びたクリプトクロム分子内で形成されるラジカル対が、周囲の磁場の影響を受けてスピンの状態を変化させ、これがタンパク質の活性や寿命に影響することで磁場を感知するという「ラジカルペア機構」が有力な仮説として提唱されています。ただし、植物のクリプトクロムが磁場に応答するという初期の報告は、その後の厳密な条件下での実験で再現されていません。

その他の機能

最近の研究では、哺乳類のCRY1がDNA修復プロセス、特に時間的な調節に関わる重要な因子であることも示されています。CRY1は細胞周期の進行やDNA修復ネットワークに影響を与え、特定のがん（前立腺がんなど）における予後不良との関連も指摘されており、治療標的としての可能性も探られています。また、CRY1の特定の変異が、人間の代謝活動にも影響を与える可能性が示唆されています。

発見の歴史

植物が青色光に反応することは、19世紀末にチャールズ・ダーウィンによって初めて記録されましたが、その原因となる色素の特定に向けた研究が本格化したのは20世紀後半になってからです。1980年代にシロイヌナズナのHY4遺伝子が青色光感受性に必須であることが見出され、1993年の遺伝子配列解析によってフォトリアーゼとの高い類似性が明らかになりました。1995年には、このHY4遺伝子の産物がフォトリアーゼ活性を持たず、新たな青色光受容体であることが判明し、クリプトクロムと名付けられました。その後、1996年にショウジョウバエで、1998年にはマウスでクリプトクロムのホモログが同定され、その存在が植物に留まらないことが明らかになりました。

クリプトクロムに関する研究は現在も活発に行われており、その多様な機能や詳細なメカニズムの解明が進められています。

もう一度検索