私たちの携帯時計の中で、彼女は生涯にわたる発見を見つけました | クアンタマガジン

今朝、太陽が昇ると、何十億もの人間が目を開け、宇宙からの一筋の光を自分の体内に受け入れました。 光子の流れが網膜に当たると、ニューロンが発火しました。 そして、あらゆる器官、ほぼすべての細胞で、精巧な機械が動いていました。 各細胞の概日時計（太陽の光とともにレベルが上下するタンパク質の複合体）がカチッと音を立てて動き始めた。

この時計は、ゲノムの 40% 以上の発現を制御することで、私たちの体を地球の明暗サイクルに同期させます。 ほんの数例を挙げると、免疫信号、脳メッセンジャー、肝臓酵素の遺伝子はすべて、時計が時刻を告げると転写されてタンパク質を生成します。

それは、生化学的に、午後10時のあなたと午前10時のあなたは同じ人間ではないことを意味します。つまり、鎮痛剤アセトアミノフェンを大量に服用するには夕方がより危険な時間帯であることを意味します。その場合、過剰摂取から保護する肝臓酵素が不足します。 朝と夕方にワクチンを接種するということです。 動作が異なりますそして、慢性的に時計を守らない夜勤労働者は、心臓病や糖尿病の発症率が高いという。 時計の進みが速い人も遅い人も、永遠の時差ボケという恐ろしい状態に陥ってしまいます。

「人々がただ無視していると思うような形で、私たちはこの日とつながっています」と生化学者のキャリー・パーチは私に語った。 私たちが時計をもっと理解できれば、時計をリセットできるかもしれないと彼女は主張しました。 その情報をもとに、糖尿病からがんに至るまでの病気の治療法を形作ることができるかもしれません。

四半世紀以上にわたり、パーチは概日時計の調整者、つまりその上昇と下降がその働きを制御するタンパク質の中で生きてきた。 ポスドクとして、彼女は次のような成果を上げました。 最初の視覚化 その中心部にある結合したタンパク質のペア、CLOCK と BMAL1。 それ以来、彼女はこれらの時計タンパク質や他の時計タンパク質の渦巻きやねじれを可視化し続け、それらの構造の変化がどのように一日の時間を増減させるかをグラフ化してきました。 その知識を追求した彼女の業績は、この科学分野で最高の栄誉を彼女にもたらしました。 マーガレット・オークリー・デイホフ賞 2018 年に生物物理学会から、 米国科学アカデミー賞 2022年に分子生物学の博士号を取得。

パーチが話すとき、時間の容赦のない感覚、つまり望むと望まざるにかかわらず、時間は私たちを変えてしまうという事実が、彼女の声に静かな切迫感を与えます。 彼女自身の旅は予想外の展開を迎えた。 キャリアの絶頂期にある彼女は、研究室のベンチから退かなければなりません。 2020年、47歳のとき、彼女はルー・ゲーリッグ病としても知られる筋萎縮性側索硬化症と診断された。 平均して、ALS と診断されてから余命は XNUMX ～ XNUMX 年です。

しかし、それでも彼女は時計タンパク質について考えることをやめなかった。

私たちがカリフォルニア州サンタクルーズ近くの丘にある彼女のリビングルームに座っているとき、彼女は首を傾げ、眼鏡に光を当てながらそれらについて考えています。 太陽の光子が彼女の細胞と西海岸のすべての人間の細胞内で CLOCK と BMAL1 を作動させてから約 XNUMX 時間後の正午です。

彼女の心の目には、アミノ酸のリボンが折り畳まれたタンパク質が見えます。 BMAL1 は、ダンサーのように CLOCK が締めるようなウエストを持っています。 夜が明けるたびに、二人はゲノムの密にコイル状の塊に止まり、DNAを転写する酵素を呼び出す。 一日を通して、他のタンパク質が細胞の機構から飛び出す原因となり、その中には最終的にその力を弱めるものも含まれます。 1 つのタンパク質が午後 10 時頃に CLOCK と BMAL1 の手がかりを見つけ、それらを沈黙させてゲノムから取り除きます。 DNA 転写の潮流が変わります。 最後に、真夜中になると、XNUMX 番目のタンパク質が BMALXNUMX の端にあるタグを掴み、それ以上の活性化を防ぎます。

秒が分に、数分が時間に変わります。 時を経て。 徐々に、抑制的なタンパク質のカルテットは崩壊します。 朝の小さな時間帯に、CLOCK と BMAL1 が再び周期を更新します。

あなたの毎日の生活において、このシステムは体の基本的な生物学を地球の動きと結びつけています。 人生の毎日、それが続く限り。 パーチほどこのことを深く理解している人はいません。

化学と時計

パーチが 10 年生になる前の夏、XNUMX 歳のとき、大工だった父親がサッカー中に手首を骨折しました。 治るのを待っている間、彼は地元のコミュニティーカレッジで化学を受講しました。 彼は、シアトル郊外の庭にある木に立てかけられた黒板の上で、化学方程式のバランスをとる方法を彼女に教えました。 それが彼女の化学への入門でした。

「化学の数学的精度がどれほど素晴らしいのか、当時学校で教えられていた生物学とはまったく違うものだと思ったのを今でも覚えています」と彼女は語った。

ワシントン大学での学生時代を思い出すとき、思い出されるのは、コンサートに参加したときの思い出、つまりスリーター・キニーのショーのためにオリンピアまで車で行ったこと、マッドハニーやニルヴァーナを観たこと、そしてコンサートを楽しんだことだ、と彼女は苦笑いしながら認める。ウルシュラ・ル＝グウィンのような作家の本。 しかし、彼女はまた、生命システムの化学に関する授業にも魅了されました。 卒業後、彼女はポートランドのオレゴン健康科学大学で技術者として働きました。 彼女は日ごとに研究に夢中になっていきました。 2000 年に、彼女とミュージシャン兼グラフィック デザイナーのボーイフレンドのジェームスは、博士号を取得するためにノースカロライナ大学チャペルヒル校に移りました。

到着してすぐに、彼女は時計を紹介する人に会いました。 彼女は分子生物学者の授業を受けた アジズサンカー、DNA修復の研究で知られています。 「彼が私たちに基本的な科学概念を教えてくれたその見事な正確さに衝撃を受けました」と彼女は語った。 「『おい、この男はとても賢いんだ』って感じだった」とサンカールは言う。 ノーベル賞を受賞する 2015年に、時計タンパク質CRY1とCRY2を含むクリプトクロムと呼ばれるタンパク質のクラスを研究していた。 シアノバクテリアからセコイアの木まで、すべての生物は時計を持っていますが、各システムを駆動するタンパク質は異なります。 哺乳類では、CLOCK と BMAL1 を除けば、最も重要なタンパク質は PER と CRY の形態です。

Sancar の研究室の大学院生だった Partch は、CRY1 に謎の構造化されていない尾があることを発見しました。 タンパク質のその部分が何をしているのかは誰も知りませんでしたが、時計タンパク質のコイルやリボンがどのようにしてその驚くべき効果をもたらしたのか、実際には誰も知りませんでした。 そしてパーチ氏が驚いたことに、誰もあまり気にしていないようだった。 ジョセフ・タカハシ ノースウェスタン大学の同僚らは、ほんの数年前にCLOCKとBMAL1の遺伝子を特定し、大絶賛を集めていた。 多くの科学者の間で、この重労働は行われたという暗黙の想定があった。

それは口に出さないままでもありませんでした。 2002 年の会議で、パーチ氏はタンパク質の構造を理解したいと数人の同僚に話しました。 "なぜ？" 彼らの答えは、「私たちはすでにすべてを知っています」でした。 パートチ氏は、礼儀正しく、しかし強調して反対した。

卒業後、彼女はテキサス大学サウスウェスタン医療センターの研究室の博士研究員として働きました。 ケビン・ガードナー、生化学者および構造生物学者で、現在はニューヨーク市立大学大学院センターの先端科学研究センターに勤務しています。 そこで彼女は、XNUMX つのトリッキーだが強力なテクニックの使い方を学ぶことで、時計タンパク質をもっとはっきりと見ることができるようになることを望んでいた。

影の詩人

「円形のタンパク質が四角形のタンパク質に触れることは、魔法に等しい」: ガードナーは分子構造に関する曖昧さをこのように要約しています。彼の経験では、すべてのシステムのすべての側面に焦点を当てることは誰にもできないため、多くの生物学者はこの曖昧さを満足して受け入れています。 しかし、パーチでは、彼はタンパク質を分解して理解することに駆り立てられ、概日時計に関する文献についてほぼ百科事典のような記憶力を備えた、同類の精神を認めた。

彼と一緒に働いて、パーチはタンパク質の結晶学を学びました。つまり、精製されたタンパク質が結晶化する溶液を混合する方法。 その結晶格子を通してX線を照射する方法。 回折パターンの微妙な陰影からタンパク質の形状を推定する方法。 結晶学者は影の詩人のようなものです。ワトソンとクリックが DNA の構造を推測できるようにした画像を持つロザリンド フランクリンは結晶学者でした。 パーチにとって、結晶学の霧のかかった灰色の画像は、彼女が生涯追跡するつもりだった構造を垣間見ることを約束した。

しかし、結晶学には限界があります。 結晶化できるほど安定したタンパク質の形状のみを明らかにすることができ、それらの凍結構造のスナップショットのみを提供します。 パーチ氏は、教科書の図にあるタンパク質を表す静的な形状が真実を覆い隠していることを知っていました。 タンパク質は、足をジャックナイフのように動かしたり、ラチェットのようにねじったり、カールをほどいて折りたたんで、奇妙な新しい形状を形成したりすることがあります。 一部のタンパク質は高度に無秩序であり、アミノ酸の長いフロッピーなスパゲッティ鎖がより規則正しい領域を接続しています。

核磁気共鳴分光法（NMR）もパーチ氏の計画に盛り込まれたのはそのためだ。 NMRでは、高度に精製されたタンパク質の溶液が磁石の中に置かれ、電波が当てられます。 結果として生じる原子核の磁気摂動は、ソフトウェアによって編集および表示され、目の肥えた人にはタンパク質の原子の配置を明らかにすることができます。 測定条件が適切に調整されていれば、タンパク質がパートナーと結合するときにどのように移動するか、タンパク質がどのように温度変化を受けるか、またはある状態から別の状態にどのように変化するかを推測できます。 Partch 氏が XY プロット上の NMR データの虹色の飛び散りを見ると、金属結合基の素早い動きとタンパク質のゆっくりとした折り畳みがわかります。

UT サウスウェスタン医療センターの彼女の部門が、CLOCK と BMAL1 の遺伝子を特定した遺伝学者の高橋を採用したとき、「私が自分自身をほのめかしたと信じたほうがいいです」と彼女は嬉しそうに言った。 彼女が大学を卒業するまでに、彼女と高橋とその同僚は結晶学を通じてCLOCK-BMAL1複合体の画像を作成した。

2011 年、パーチ氏がジェームスとその幼い息子とともに引っ越してきて、 彼女の研究室 カリフォルニア大学サンタクルーズ校では、彼女はゼロからのスタートでした。 彼女には、ポスドクから継続するプロジェクトがありませんでした。 彼女には時計を理解する特異点だけがあり、最終的にはそれを実現するツールがありました。

タンパク質の時計仕掛け

パーチ氏の UCSC オフィスの窓の外では、セコイアの葉を通して光が差し込んでいます。 物理科学棟は森の中にあり、そこでは粘菌が咲き、木々が体内時計に従って葉を傾けています。 森の苔むした床を行き交う学生やハイカーの内部では、CLOCK、BMAL1、およびその仲間分子が体内の午後のタンパク質カクテルの生成に忙しい。 パーチが時間の生体力学をより深く見る機会を得たのはここでした。

彼女は最初から未知の領域に進んでいました。 「キャリーはとてもユニークです」と彼は言いました ブライアン・ゾルトウスキー 南メソジスト大学の博士号を取得し、ガードナーの研究室で彼女と一緒に博士研究員を務めました。 彼は、哺乳類の時計の核心的な構造生物学に焦点を当てた研究室を片手に数えることができます。 必要なスキルは難解であり、ほとんど進歩しないために何年もの努力を費やすリスクは大きいです。

それにもかかわらず、パーチは未知の領域に足を踏み入れ、派遣を送り返し始めました。 彼女の生徒と一緒に チェルシー・グスタフソン および 徐海燕 メンフィス大学の博士らは、CRY1がBMAL1に競合的に結合することでBMALXNUMXを沈黙させることを発見した。 うねる、乱れた尾; 尾が突然変異すると、時計のテンポが狂ったり、完全に崩壊したりすることさえあります。 彼女の生徒と一緒に アリシア・マイケル、彼女は、CLOCK がスレッドによって CRY1 に寄り添っていることを発見しました。 ポケットにループを付ける その上で。 突然変異によってポケットが破壊された場合、この 2 つは結合しません。 PERXNUMX の変異により、結合パートナーに対する適合性が低下し、PERXNUMX の結合が低下します。 劣化しやすい; その欠陥により時計が 1 時間半進みます。 BMALXNUMX のテールにある単結合の方向は、次のようになります。 一日を短くする。 時計じかけの部品が暗闇から現れ始めました。

彼女は、時計を速くしたり、遅くしたり、完全に沈黙させたりするすべての変更のコレクターとして名を馳せました。 「キャリーは、個々のタンパク質の動きが何であるかを理解するレベルまで掘り下げようとしています」とゾルトウスキー氏は語った。 パーチが変形時計タンパク質とともに過ごす時間が長ければ長いほど、彼女はそれを頭の中でよく見ることができ、薬物や突然変異に対してタンパク質がどのように反応するかを理解できるようになりました。

彼女の発見は、時間生物学に時計タンパク質がどのように機能するかについての新しい見方を与えました。 「キャリーが何度も発見したのは、重要な生物学の多くは、構造化されておらず、非常に柔軟で動的であるタンパク質の部分から来ているということです」と述べた。 アンディ・リワン カリフォルニア大学マーセド校の構造生物学者で、シアノバクテリアの時計を研究している。 「彼女がNMRでやっていることは英雄的だ。」

2018 年までに、Partch は賞を受賞し、素晴らしい助成金のポートフォリオを集めました。 彼女は学術団体の理事会の一員でした。 彼女には次男がおり、彼女のビジョンに触発された学生やポスドクのグループを募集していました。 プリヤ・クロスビー研究室の最近のポスドクである彼女は、パーティーでパーチに会い、畏怖の念を感じたことを覚えています。 パーチ氏が時計を理解しようとする情熱は明白で、時計に関するすべてのデータをすぐに入手できるようでした。

その頃から彼女の手が麻痺し始めた。

作業中のレンチ

最初は些細なことでした。 「手が一瞬固まってしまいました」と彼女は言いました。 「それは正しくないことはわかっていますね。」 医師らはストレスが原因ではないかと示唆した。 彼女がより良い答えを求め始めたのは、2020 年 19 月、数か月にわたる新型コロナウイルス感染症パンデミックによるロックダウンを経て研究室に戻り、階段で疲れ果てていることに気づいた時でした。 約XNUMXか月後、彼女はALS、つまり筋萎縮性側索硬化症と診断されました。

ALS は運動ニューロンを殺し、運動を制御する能力を破壊します。 細かい運動能力が最初にあり、次に歩いたり話したりする能力が続きます。 最終的には、呼吸を制御するニューロンが消滅します。 診断後、人々は数年しか生きられない傾向があります。

パーチは実験台で働くのが大好きでした。 彼女は生徒の間で、アイデアに可能性があるかどうかを確認するための予備実験を自分で行うことで知られていました。 研究室では、プロテインの入ったチューブをちりばめたアイスバケツを忙しく動き回っている彼女の姿はよく見られたものだった。

「私が最後にプロテインを準備したのは約XNUMX年前のXNUMX月でした」と彼女は思い出した。 "それ 紙の 自然 — 最初の構造ができました。 私たちはそれが水を保持しているかどうかを確認するために突然変異を作ろうとしていました。 …ミュータントの半分を乗り越えたので、『なんてことだ』と思いました。」氷のバケツは彼女の腕の中で鉛のように感じられました。

現在、パートチさんは電動車椅子を使用しています。 研究室の建物には彼女がドアを開けるためのボタンが設置されており、ジェームズは彼女を車で職場まで送り届けた。 彼女は今でもフルタイムで働いており、学生と会ったり、メールを送信したり、新しい実験を考えたりしています。 話すことは難しくなりましたが、彼女の心には影響はありません。 時々、未知のものが湧き上がり、悲しみが彼女を圧倒しそうになりますが、彼女はその瞬間を過ぎます。 「私は生きようとしているの」と彼女は言った。

今日もまだあります。 そして今日、今日、そして今日、そのサイクルが繰り返される限りずっと。

時間の普遍的な真実

CLOCK と BMAL1 のダンスが始まってから約 XNUMX 時間後の、霧の深い XNUMX 月の朝です。 パーチのオフィスで、彼女と ディクシャ・シャルマ研究室の大学院生である彼らは、PAS ドメインと呼ばれる折りたたまれたタンパク質セグメントに対する情熱について話し合っています。 「私たちは、さやに入った豆が 1 個入っているようなものです」とパーチ氏は言います。 Sharma 氏は、CLOCK と BMALXNUMX の PAS ドメインが、時計を制御する薬物ライブラリのターゲットにできるかどうかをテストしています。 「それは実行可能だと私たちは考えています」とパーチ氏は言う。

研究室スペースでは、学生とポスドクの集団が働いています。 ラファエル・ロブレス プロテイン調製用のチューブを準備しているベンチから手を振り、笑顔を浮かべた。 おそらくパーチが教えなくなったため、学部生の数は以前よりも減っています。 彼女の大学院生 ミーガン・トルグリムソン大学でパーチのクラスを受講した彼女は、講師としての彼女の魅力を思い出します。 しかし、パーチさんは若いメンティーがいることを楽しみながらも、全員が働くためのスペースが増えるのは悪いことではないと考えています。 「現在、研究室で行われているすべてのプロジェクトにとても興奮しています」と彼女は言います。

過去 XNUMX 年間で、長年にわたる多くのプロジェクトが実を結びました。 研究室の画面上で、ポスドクは ジョン・フィルポット グループから数字を取り出します 新しい紙 in 分子セル、家族性睡眠相障害に関連するPER2の変異に関するもので、この障害は2日のサイクルをなんとXNUMX時間短縮するものです。 彼は、PERXNUMX がほとんど無秩序な領域の塊であることを図で指摘しています。 「これらは非常に重要な地域です」と彼は言います。 パーチ氏がそうではないことを示すまでは、「ほとんどの人は、無秩序とは機能していない部分だと考えていた」。

研究室のミーティングでは、若い科学者たちが新しいデータについての議論を主導します。 パーチさんは車椅子に座り、時折声を出しながら話を聞いている。「研究室は、診断の不確実性への対処において素晴らしい対応をしてくれました」と彼女は私に語った。 彼女は自分で実験を行うことができなくなったので、実験を正しい方向に導くことに多くのエネルギーを注いでいます。

パーチは最近、人生の時間の尺度において普遍的なものとは何かについて、ますます考えています。 数年前、LiWang氏は彼女に、人間の時計と共通点のないシアノバクテリアの時計について一緒に研究するよう誘った。 これは、24 時間のリズムで活性が増減する KaiA、KaiB、KaiC と呼ばれる 2017 つのタンパク質と、遺伝子の翻訳を駆動する XNUMX つの結合パートナーだけで構成されています。 XNUMX年、LiWangとPartchが率いるチーム 詳細構造を公開 それぞれの複合体を分解し、それらが互いに結合できるようにする折り目やねじれを明らかにします。 その後、研究グループは時計タンパク質を試験管に入れ、数日、場合によっては数か月間周期的に動作させることができることを示しました。

パーチが人間の時計を研究しているときに見たもの、つまり競争に気づいたとき、彼らはそのサイクルがどのように駆動されるかを記録することに熱心でした。 CRY1 が BMAL1 に結合する小さなタグは、BMAL1 の最も強力な活性化因子の 1 つが結合する場所でもあります。 CRY1 がそのアクティベーターを上回り、タグに代わった場合、時計は進むことしかできません。 CRYXNUMX タンパク質の結合が崩壊し、時計の周期が再び始まるまで、このプロセスに閉じ込められ、何分も何時間も待ち続けます。

シアノバクテリアの時計においても、構成要素間の競争が同じように機能することにパーチ氏は気づいた。 虫や菌類などの生物の時計にもそれが現れます。 「これは、非常に異なる時計でも保存されている原則のようです」と彼女は言いました。 彼女は、それが、自然が時間とともに前進し、逸脱できない道をたどる機械をどのように作るかについての、基本的な生物物理学的真実を反映しているのではないかと疑問に思っています。

火星生命のタイミング

もう一夜明けます。 太陽の光が宇宙の冷たい広がりを通って地球にまで届き、キャリー・パーチのチャイナブルーの目に差し込みます。 CLOCKとBMAL1がダンスを始める。 彼女は仕事に行きます。 彼女は13歳と18歳の息子たちと遊んでいる。下の息子は、化学についてYouTubeのウサギの穴を調べるのが好きで、ゴム手袋からバニリンを分離し、それをホットソースに加工するという、素晴らしく間抜けなXNUMX時間のビデオを一緒に見るよう主張している。 彼女は時計タンパク質のリボンとコイルについて考えています。 彼女の診断に直面して、何か違うことをする時が来たと判断する人もいるかもしれないが、パーチさんは時計から目を背けることを考えたことは一度もなかった。 彼女はあまりにも多くの物語の結末を知りたがっている。

私たちが概日生物学を本当に理解できる未来を想像するとき、彼女は誰かの時計が XNUMX 日のあらゆる瞬間に何をしているかを知ることを想像します。 国防高等研究計画局 (DARPA) からの提案募集に応じて、彼女と同僚はかつて、時計の状態を評価し、時計に関するデータを送信し、さらには時計を変更できる鼻プローブのアイデアを思いつきました。 DARPA が突飛な提案を好むことは有名だが、Partch 氏は、資金が得られなかったため、DARPA を上回ったと冗談を言っている。 彼女は今でもその装置の可能性について考えています。

太陽系の渦を巻く惑星の中で、私たちを形作ってきたのは、24 日が XNUMX 時間であるこの惑星です。 そのため、人類が他の惑星に住もうとした場合、どのようにして健康を維持できるのかという大きな疑問が生じています。 降りようとするまで回転が緩やかに見えるメリーゴーランドのように、私たちの細胞に染み付いた地球の周期が私たちを危険な方向に引っ張るかもしれません。 「それらは本当に私たちを地球に結びつけます」とパーチ氏は語った。

しかし、彼女は、宇宙旅行者が時計の損傷によって病気にならないように、CLOCK、BMAL1、またはその多くのパートナーのいずれかのダイナミクスを調整できればと想像しています。 自然はインスピレーションを与えてくれます：CRY1 の変異が研究室で発見されました マイケル·ヤング ロックフェラー大学の研究では、人間の概日周期が約 40 分延長され、地球上の睡眠サイクルが常に不一致になることが人類に課せられています。 パーチ氏は、それが火星に住むのに最適なタイミングとなるだろうと指摘する。

パーチさんは、最近、自分の声がますます衰えていることに気づきました。 彼女は、AI が生成した自分の声のクローンを手に入れたことに満足していますが、講演への出演や旅行は依然として削減しています。 彼女が概日時計会議に欠席することは、同僚、崇拝者、友人にとって目立つことです。 現代の時間生物学は、ノーベル賞受賞者やその他の著名な先駆者による科学的貢献に基づいて構築されていますが、彼女が明らかにした構造の詳細によっても構築されています。 「そこにはもっと豊かな世界がある」とガードナー氏は語った。 「そして、それを私たちに与えてくれたのがキャリー・パーチです。」

パートチのリビングルームで、夕方を迎えるために霧が立ち込める中、彼女と私は、時間に追われながら小説を書くことが多かった作家ウルスラ・ル＝グウィンについて話しました。 彼女の小説の中で 没収者, ル・グウィンは、時間を味方につけること、つまり、人生の流れが自分の選んだ方向に進むように人生を整えることについて書きました。 「時間に逆らうのではなく、時間と協力するということ」と彼女は書いた, 「無駄にしないということです。 痛みさえも重要だ。」

「時間は確保できていますか？」 尋ねます。

「はい」とパーチは言う。 "はい、そう思います。"