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芸術工学研究院 研究紹介

体内時計のデザイン

大学院芸術工学研究院 デザイン人間科学部門
兼 数理・データサイエンス教育研究センター
准教授 伊藤 浩史

体内時計をみたことがありますか?

 私たちは24時間周期で寝起きしますが、これは体内時計が生み出しています。普段は体内時計の存在を気にしませんが、海外旅行をして時差ぼけを感じたときに、あぁ体内時計が狂っているなと感じられます。
 体内時計の実体が何であるかは長い研究の歴史があります。ヒトをはじめとした哺乳類の体内時計はいくつかの遺伝子がお互いにオン・オフしあうネットワークであることが明らかになりました。この成果に2017年ノーベル医学生理学賞が与えられています[1]。

バクテリアの体内時計

 ノーベル賞が与えられたものの、哺乳類の体内時計の実態はまだ謎が多いようです。一方でもっと素性がわかっている体内時計を持つ生物が知られています。シアノバクテリアと呼ばれるバクテリアです。シアノバクテリアの体内時計はたった3種類のタンパク質でできていることが知られていて、試験管の中でつくりあげることができます[2]。このような、人間の手で体内時計の部品を生物から取り出して組み上げ直した例はシアノバクテリアをおいて他にはありません。体内時計のデザインを考える上で、シアノバクテリアは良い研究材料です。

図1:試験管内につくられた体内時計 3つの時計タンパク質KaiA, KaiB, KaiCを試験管内に混ぜるとKaiCのリン酸化レベルが24時間周期で振動する。(Ito et al. Nature Struct Mol Biol 2008から転載)

時計を冷やすと振り子になる

 私たちのグループでは、シアノバクテリアの体内時計を冷やすと、時計の機能が失われることを見つけました[3, 4]。そして、その失われ方は、ホップ分岐と呼ばれる数学的な構造が背後にあることを見つけました。ホップ分岐のシナリオによれば、リズムの振れ幅が小さくなっていき最終的に0になることで自律的なリズムが失われます。また、リズムが失われたあとは、摩擦のある振り子のような減衰する振動子に変化します。このように、体内時計が振り子に変化することを見つけました。

図2:体内時計は冷やすと振り子になる パラメータを変えてリズムが消失するとき2つのパターンが存在する。1つはホップ分岐、もう1つはSNIC分岐と呼ばれており、振幅が変化するのか周期が変化するのかという違いが存在する。KaiCリン酸化リズムは温度を減少させると20℃付近でホップ分岐がおこる。(Murayama et al. PNAS 2017から転載)

冬の体内時計のデザイン

 振り子は適切な周期で外から揺らすと大きな振幅で揺れます。この現象は共鳴と呼ばれています。体内時計が低温下で振り子になるということは、同様に共鳴現象がおこるかもしれません。私たちのグループでは実際に低温下で停止した体内時計をゆらして共鳴によって大きな振幅になることを発見しました。四季のある日本では冬は氷点下になることもあります。冬に生物たちは体内時計を失っているのでしょうか?ひょっとしたら共鳴で体内時計を保っているのかもしれません。そのような仮説をもって、バクテリアにとどまらない冬の体内時計のデザインの共通性について研究を進めているところです。

図3:体内時計の共鳴 ある特定の周期の温度サイクルで振幅が増加する。(Murayama et al. PNAS 2017から転載)

参考文献

[1]ノーベル賞受賞理由の記事
ノーベル財団
Scientific Background Discoveries of Molecular Mechanisms Controlling the Circadian Rhythm
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/advanced-information/

[2]体内時計を試験管の中で作ったことを報告した論文
Nakajima M, Imai K, Ito H, Nishiwaki T, Murayama Y, Iwasaki H, Oyama T, Kondo T.
Reconstitution of circadian oscillation of cyanobacterial KaiC phosphorylation in vitro
Science 308, 414-5 (2005)

[3]体内時計を冷やしたことを報告した論文
Murayama Y, Kori H, Oshima C, Kondo T, Iwasaki H, Ito H
Low temperature nullifies the circadian clock in cyanobacteria through Hopf bifurcation
Proceedings of National Academy of Sciences 114, 5641–5646 (2017)

[4] 上記の内容の一般向け解説記事
村山依子 伊藤浩史
体内時計はひやすとブランコになる – 物理学が明らかにする体内時計のとまりかた
アカデミストジャーナル (2017)
https://academist-cf.com/journal/?p=5375

■お問い合わせ先
大学院芸術工学研究院 デザイン人間科学部門 准教授 伊藤 浩史