PER2ホスホデグロンの変異はサーカディアンホスホスイッチをペルタリングする

Mutation of a PER2 phosphodegron perturbs the circadian phosphoswitch.

• Shusaku Masuda
• Rajesh Narasimamurthy
• Hikari Yoshitane
• Jae Kyoung Kim
• Yoshitaka Fukada
• David M Virshup

抄録

カゼインキナーゼ1（CK1）は、概日時計の周期を調節する上で中心的な役割を果たしている。哺乳類では、PER2タンパク質の豊富さはCK1を介したリン酸化とプロテアソーム分解によって調節されている。一方、最近の研究では、コアとなるサーカディアン・マシーンの分解が時計の調節に重要なステップであるかどうかが疑問視されている。これまでの研究では、CK1によるPer2のSer478でのリン酸化がユビキチンE3リガーゼβ-TrCPをリクルートし、PER2の分解につながることが明らかになっている。このホスホデグロンの生成は、温度補償にも関与しているホスホスイッチによって制御されている。このホスホデグロンの生成は、温度補償にも関与するホスホスイッチによって制御されているが、このホスホデグロンが概日周期に影響を与えるというin vivoでの証拠はない。そこで、PER2-Ser478Alaノックインマウスを作製し、解析した。その結果、PER2-Ser478Alaノックインマウスでは、行動解析においてサーカディアンピリオドが長くなった。分子レベルでは、変異型PER2タンパク質はマウス肝臓の核と細胞質の両方に蓄積し、メッセンジャーRNA(mRNA)レベルではほとんど影響を受けなかった。核内のPER1, CRY1, CRY2タンパク質も増加したが、これはおそらくPER2含有複合体の安定化によるものであろう。また、PER2-Ser478Ala::LUCマウス由来のマウス胚性線維芽細胞では、三相崩壊と概日周期の温度補償が調節されていた。これらのデータは、概日時計におけるリン酸化制御されたPER2の安定性の重要性を示すin vivoでの直接的な証拠を提供し、マウスモデルにおけるホスホスイッチの有効性を検証した。

Casein kinase 1 (CK1) plays a central role in regulating the period of the circadian clock. In mammals, PER2 protein abundance is regulated by CK1-mediated phosphorylation and proteasomal degradation. On the other hand, recent studies have questioned whether the degradation of the core circadian machinery is a critical step in clock regulation. Prior cell-based studies found that CK1 phosphorylation of PER2 at Ser478 recruits the ubiquitin E3 ligase β-TrCP, leading to PER2 degradation. Creation of this phosphodegron is regulated by a phosphoswitch that is also implicated in temperature compensation. However, in vivo evidence that this phosphodegron influences circadian period is lacking. Here, we generated and analyzed PER2-Ser478Ala knock-in mice. The mice showed longer circadian period in behavioral analysis. Molecularly, mutant PER2 protein accumulated in both the nucleus and cytoplasm of the mouse liver, while messenger RNA (mRNA) levels were minimally affected. Nuclear PER1, CRY1, and CRY2 proteins also increased, probably due to stabilization of PER2-containing complexes. In mouse embryonic fibroblasts derived from PER2-Ser478Ala::LUC mice, three-phase decay and temperature compensation of the circadian period was perturbed. These data provide direct in vivo evidence for the importance of phosphorylation-regulated PER2 stability in the circadian clock and validate the phosphoswitch in a mouse model.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.