研究内容

哺乳類の概日リズムの中枢SCNでは、Period1遺伝子(Per1)の発現が日周変動し、目からの光情報によりPer1発現誘導がおこる。

新たに作製したPer1を恒常的に過剰発現させたTgラットの行動、生理学的リズムや位相リセット機構が乱れたことから、このPer1の発現のタイミングが重要であることが確証された。(論文1)

そこで、独自に、Per1の発現を指標にして、中枢及び末梢組織の時計機能を同時に測定するため、Per1発現制御領域で発光ルシフェラーゼlucにて確認できるPer1::lucマウスを確立した。

このマウスのSCN スライスや他の末梢組織を培養しながらPer1発現を反映している発光を顕微鏡で観察する。

Per1::luc TgマウスのSCNスライス培養では、約1日周期の化学発光振動が1ヶ月以上観察され、一方、肝臓など末梢組織でも遅れた振動位相ではあるが発光振動が観察でき、2〜6日で減衰する。(Fig.1)

哺乳類ではSCNに自律したペースメーカーが存在し、末梢の概日リズムを組織固有の位相に維持することがわかった。

この実験系を用いて、外界の光環境の変化に対して、概日リズムの位相を修正するまでの時間をSCNと末梢組織で比較した。

具体的には、Tgラットを6時間の位相前進・後退の光環境に移し、その行動リズムとSCNと各末梢組織の発光リズムを観察した。

SCNの発光リズムは、6時間の位相前進・後退ともに1日で位相変化できたが、行動、末梢組織リズムは、位相同調は1日では完了せず、2日以上を要した。

このSCNと末梢組織の光環境の変化に対する位相シフト能の違いは、各末梢組織の位相の修正に要する間、SCNや各末梢組織間の位相の関係は、光条件のシフト以前の関係とは異なっていることを示す。

この事実は、光環境が大きく変化したときに生じる、いわゆる時差ボケの現象が、SCNやその他の組織のリズム位相との関係がくずれたこの6日間の状態であること、つまり、SCNと末梢組織のリズムが、位相シフト能の違いから脱同調した状態であることを提唱した。(論文2)


さらに、概日リズムを規定する時計遺伝子Per1の発現のタイミングがルシフェラーゼ発光だけではなく緑蛍光GFPで確認できるPer1::luc Per1::GFPトランスジェニックラインを現在すでに確立・報告している。(Fig.1)

このマウスのSCN スライスや他の末梢組織を培養しながら、Per1発現を反映する発光・蛍光を顕微鏡で観察し、その結果、SCN内にも外界からの情報を入力する部分や自律的なリズムを強く刻む部分などに分かれていて機能的な極性が存在することがわかった。(Fig.2)

また、グルタミン酸受容体にシステイン変異を入れ、UV領域の光でシス体となり、可視領域の光でトランス体となる新規化学物質(MAG)を用いて、UV光照射で開き、可視光照射で閉るLiGluR受容体と反対の挙動を示すYinYang受容体を独自で開発している。

この受容体もつ細胞にMAGを添加し、異なる波長の光を照射すると、細胞膜の電位や神経細胞の活動を、波長依存的に、可逆的に変化させうる。

LiGluR受容体が、接触センサーの神経で機能するようなTg組み換えフィッシュをつくり、MAGで30分処理し、UV光を15分あてると、接触センサーがそれ以上の刺激を感知できなくなり、接触忌避反応が阻害される。そこに可視光を30秒あて、接触センサーを元の状態にもどすと反応が回復する。

LiGluR受容体は、成体の中でも光感受的に動く、生体の神経活動を外部から調節できる、作動効率のよいナノマシーンツールであることがわかった。(論文3)(Fig.3)

概日リズム発振する中枢である視交叉上核(SCN)や末梢組織のリズムが、リアルタイムでモニターでき、同時にピンポイント刺激で神経活動が変化させうる独自の脳スライス観察系やトランスジェニック(Tg)マウスを用いて、中枢SCNのリズムが乱れると、そのシグナルを受ける末梢神経や組織のリズムがどう影響を受け、その結果、摂食活動、睡眠、脂質代謝や糖新生・分解などのリズムも乱れるかを調べる。

また、どのタイミングで、睡眠から覚めて光を浴び、SCNを刺激して中枢リズムを動かすと、生理学的活動リズム、肥満動態や代謝に関連する末梢組織の機能のリズムを改善できるかも調べる。

これらの知見を用いて、入院患者、高齢者の看護、介護の現場で、生活サイクルを調節し、予防医学に役立て、健康維持・管理の基盤構築を目指す。

 

論文1   Numano R 他, Proc Natl Acad Sci U S A. 2006,103,p3716-3721.

論文2   *Yamazaki S, *Numano R 他 *equally contributed, Science. 2000,288,p682-685.

論文3   Numano R 他, Proc Natl Acad Sci U S A. 2009,106,p6814-6819

 

Fig.1

Fig.1 Per1のSCNでの発現変化の観察系

Fig.2

Fig.2 Per1::luc SCNの部位別の発光振動スライス作成後86~90時間後のSCN発光イメージ

Fig.3

Fig.3 バイオナノマシーンLiGluR