クリプトクロム（Cryptochrome、 Cry）は青色光受容体タンパク質である。

ギリシャ語で「隠れた色素」(κρυπτοσ χρομοσ) という意味であり、元来は植物にあると想定された青色光受容体を指した。現在では特定の一群のタンパク質の名称であり、植物にはもう一種の青色光受容体であるフォトトロピンも見つかっている。クリプトクロムは緑藻から高等植物までにあり、さらに動物などにもよく似たタンパク質があることが明らかになっている。

クリプトクロムはフラビンタンパク質で、植物では光に基づく花芽形成、伸長、概日リズムなどの調節に関与している。青色光は光屈性にも関わっているが、これはクリプトクロムでなくフォトトロピンによることがわかっている。植物にはこのほかに赤色・近赤外光受容体フィトクロムがある。多くの植物ではクリプトクロムには2種類あり、CRY1およびCRY2と呼ばれている[1]。

クリプトクロムは、光をエネルギー源としてDNA修復を行う細菌の酵素であるフォトリアーゼに構造が似ており（酵素活性は失っている）、進化的にはこれに由来すると考えられている。色素団としてプテリンとフラビンの2つを含んでいる。プテリンが光子を吸収し、これにより電子が放出され、この電子はフラビンに吸収される。これによりクリプトクロム分子はリン酸化を受け、さらにシグナル伝達の引き金を引くものと考えられているが、詳細は不明である。

クリプトクロムは動物（脊椎動物、昆虫、サンゴなど）やシアノバクテリア（藍藻）にも見つかっているが、これらは植物のものとは別系統とされる( ⇒Zhu,etal。2005 CurrBiol)。

動物では概日リズムに働く2タイプのCryがある。ほ乳類のCryは光受容能力はなく、CLOCK/BMALの抑制に働く。キイロショウジョウバエのCRYは青い光を受容して概日リズムをリセットするが、抑制能力はない。ただし蝶、 ミツバチ、 ハマダラカなど他の昆虫ではほ乳類型とショウジョウバエ型の両方のCryを持っている[2]。
発見

1880年代にチャールズ・ダーウィンが植物の青色光に対する反応を初めて記録したが、原因となる色素を特定する研究が始まったのは1980年代になってからである[3]。 1980年、研究者たちは植物シロイヌナズナのHY4遺伝子が植物の青色光感受性に必要であることを発見し、1993年にその遺伝子の塩基配列が決定されると、青色光によって活性化されるDNA修復タンパク質であるフォトリアーゼと高い配列相同性を示すことがわかった。 1995年には、HY4遺伝子とその2つのヒトホモログの産物はフォトリアーゼ活性を示さず、代わりに概日光色素と推定される新しいクラスの青色光光受容体であることが明らかになった[4]。 1996年と1998年には、Cryホモログがそれぞれショウジョウバエとマウスで同定された[5][6]。
進化の歴史と構造

クリプトクロム (CRY1、 CRY2) は、進化的に古く、高度に保存されたタンパク質であり、生命のあらゆる王国に存在するフラボタンパク質スーパーファミリーに属している[7]。 このスーパーファミリーのメンバーはすべて、N末端にフォトリアーゼホモロジー (PHR) ドメインを持つという特徴を持っている。PHRドメインは、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）補因子や光捕集性発色団と結合できる。クリプトクロムは、光によって活性化され、紫外線によって誘発されたDNA損傷の修復に関与する細菌の酵素であるフォトリアーゼに由来し、近縁の存在である。真核生物では、クリプトクロムはもはやこの元々の酵素活性を保持していない[7]。クリプトクロムの構造はフォトリアーゼと非常によく似た折り畳み方をしており、1分子のFADがタンパク質に非共有結合している[7]。ラマチャンドランプロットによると、CRY1タンパク質の二次構造は主に右巻きのαヘリックスであり、立体的な重なりはほとんどない[7]。分子は直交する束のように配置されている[7]。
機能
光屈性

植物では、クリプトクロムは青色光に反応して、光源に向かって成長する光屈性を媒介する。この反応には、フォトトロピンという独自の光受容体が存在することが知られている。フィトクロームやフォトトロピンとは異なり、クリプトクロムはキナーゼではない。フラビンクロモフォアは、光によって還元されて細胞核に運ばれ、細胞核で膨圧に影響を与え、茎の伸長を引き起こす。具体的に、Cry2は青色光による子葉や葉の伸長に関与している。遺伝子組み換え植物でCry2を過剰発現させると、青光刺激による子葉の膨張が増大し、数枚の原葉に花がつくよりも、多くの広葉樹の葉に花がつかなくなる[8]。シロイヌナズナのEarly Flowering 3（elf3）遺伝子とCry2遺伝子の二重機能喪失変異は、連続光下では開花を遅らせ、長日時・短日時には開花を早めることが示されており、シロイヌナズナのCRY2が連続光下での開花時期を早める役割を果たしている可能性が示唆されている[9]。
光形態形成

クリプトクロム受容体は、植物が光形態形成によって青色光に反応する原因となる。種子や苗の発育を制御し、植物体から花の咲く時期への切り替えを行う。シロイヌナズナでは、クリプトクロムが最適ではない青色光条件下での植物の成長を制御することが明らかになっている[10]。
光の取り込み

ショウジョウバエやシロイヌナズナにおけるクリプトクロムの光受容と光伝達については、多くの研究がなされているにもかかわらず、まだ十分に理解されていない。クリプトクロムには、プテリン（5、10-メテニルテトラヒドロ葉酸（MTHF）の形）とフラビン（FADの形）という2つの発色団があることが知られている[11]。どちらも光を吸収する可能性があり、シロイヌナズナでは、プテリンは380 nm、フラビンは450 nmの波長で吸収するようである。過去の研究では、プテリンが捕らえたエネルギーがフラビンに伝達されるというモデルが支持されている[12]。この光伝達モデルでは、FADがFADHに還元され、クリプトクロムの特定のドメインのリン酸化を仲介すると考えられる。これがシグナル伝達の連鎖を引き起こし、細胞核での遺伝子制御に影響を与える可能性がある。

新しい仮説[13]では、植物のクリプトクロムでは、光信号をパートナー分子が感知できるような化学信号に変換する際に、FAD補因子や隣接するアスパラギン酸など、タンパク質内の光によって誘発される負電荷が引き金になるのではないかと提案している[14][15]。 この負電荷は、タンパク質に結合したATP分子を静電的に反発させ、その結果、光子吸収前にATP結合ポケットを覆っているタンパク質C末端ドメインも反発させる。その結果、タンパク質のコンフォメーションが変化し、C末端の以前はアクセスできなかったリン酸化部位がリン酸化され、リン酸化されたセグメントが光形態形成の負の制御因子COP1の同じ結合部位と競合することで、転写因子HY5を解放することができる。

ショウジョウバエでは、異なるメカニズムが機能している可能性がある。ショウジョウバエのCRYにおけるフラビン補酵素の真の基底状態については、いまだに議論されており、FADが酸化された形で存在するというモデルもあれば[16]、フラビン補酵素がアニオンラジカルの形でAD??として存在するというモデルを支持する人もいる。近年、酸化したFADが光によって容易にAD??に還元されることが観察された。さらに、光還元を阻害する変異は、光によるCRYの劣化に影響を与えないが、FADの安定性を変化させる変異は、CRYの光受容体の機能を破壊することがわかった[17][18]。また、最近では、FAD-が光子を吸収して2重状態または4重状態に励起され、それによってCRYタンパク質の構造が変化するというモデルも提案されている[19]。

また、海綿体の眼には、青色光を受容するクリプトクロームが発現している。多くの動物の眼は、神経細胞に発現した光感受性のオプシンタンパク質を用いて光環境の情報を神経系に伝達しているが、海綿動物の幼生は色素環眼を用いて光泳ぎを行っている。しかし、海綿動物の幼生であるAmphimedon queenslandicaのゲノムには、他の多くのGタンパク質共役型受容体（GPCR）が存在するにもかかわらず、光感受性オプシン色素の遺伝子がないことが明らかになっている。RNAプローブを用いた研究により、2つのクリプトクロムのうちの1つ「Aq-Cry2」が、スポンジの単純な目の細胞の近くで生成されていることがわかった。Aq-Cry2はフォトリアーゼ活性を持たず、フラビンベースの補因子を含んでおり、幼生の光行動を媒介する波長の光に反応する。Aq-Cry2は、オプシンクラスのGPCRとして定義され、オプシン機能の中心となる保存されたShiff塩基リジンを有している。他の海綿動物と同様、A.queenslandicaは神経系を持たない。このことから、オプシンを持たないカイメンの眼は、クリプトクロムと他のタンパク質を利用して、眼を媒介とした光定位行動を指示または作用させていると考えられる[20]。