生物時計は、暖かい環境で遺伝子の機能を変化させることで24時間周期を維持します。

日本の理化学研究所数理融合研究センター（iTHEMS）の黒澤元氏が率いる研究者たちは、理論物理学を用いて、気温が変化しても体内時計がどのようにして安定した24時間周期を維持するのかを解明した。

研究者たちは、この安定性は、高温下で遺伝子活動リズムの「形状」が微妙に変化することで達成されることを発見しました。このプロセスは波形歪みと呼ばれ、正確な時間を保つのに役立つだけでなく、体内時計が昼夜サイクルとどれだけ正確に同期するかにも影響を与えます。この研究はPLOS Computational Biology誌に掲載されています。

体がどうやって寝る時間や起きる時間を把握しているのか、不思議に思ったことはありませんか？答えは簡単です。体には約24時間周期で動く体内時計があるからです。しかし、ほとんどの化学反応は気温の上昇とともに加速するため、体が年間を通して、あるいは夏の暑い外気とエアコンの効いた涼しい室内を行き来する際に、どのように気温の変化を吸収しているのかは謎でした。

体内時計は、タンパク質合成を司る分子であるmRNAのレベルの周期的な変動によって機能します。この変動は、特定の遺伝子がリズミカルにオンオフすることで発生します。振り子の動きが滑らかに上昇・下降する数学的な正弦波で表せるように、mRNAの合成と減少のリズムは振動波で表すことができます。

理化学研究所iTHEMSの黒澤教授率いるチームは、京都大学YITPの研究者らと共同で、理論物理学の手法を応用し、mRNAのリズム振動を記述する数理モデルを解析しました。特に、mRNAリズムシステムからゆっくりと変化する重要な動的プロセスを抽出することを可能にする物理学の強力なツールである繰り込み群法を用いました。

分析の結果、温度が上昇するにつれてmRNAレベルの上昇速度は速くなり、下降速度は遅くなるものの、1サイクルの長さは一定であることが示されました。グラフ上では、高温時のこのリズムは歪んだ非対称の波のように見えました。

理論的結論を生体で検証するため、研究者らはショウジョウバエとマウスの実験データを分析した。実際、高温下ではこれらの動物は予測通りの波形の歪みを示し、理論モデルの正しさが確認された。

科学者たちは、波形の歪みが生物時計の温度補正、特に各周期におけるmRNAレベルの低下を遅らせる鍵であると結論付けています。

研究チームはまた、波形の歪みが体内時計が光や闇といった外部刺激に同期する能力に影響を与えることを発見した。分析の結果、波形の歪みが大きいほど体内時計は安定し、外部刺激の影響を受けにくくなることが示された。

この理論的結論はハエや菌類の実験観察と一致しており、不規則な明暗サイクルがほとんどの現代人の生活の一部となっているため重要である。

「私たちの研究結果は、温度が変化しても体内時計が正確で同期した状態を保つ上で、波形の歪みが重要な要素であることを示しています」と黒澤氏は言う。

彼は、今後の研究は、mRNAレベルの低下を遅らせ、波形の歪みを引き起こす分子メカニズムの特定に焦点を当てる可能性があると付け加えた。研究者たちはまた、年齢や個人差が体内時計の機能に影響を与える可能性があるため、この歪みが種間、さらには個人間でどのように変化するかを研究したいと考えている。

「長期的には」と黒澤氏は指摘する。「時計遺伝子の波形歪みの度合いは、睡眠障害、時差ぼけ、そして加齢が体内時計に与える影響をより深く理解するためのバイオマーカーとなる可能性があります。また、生物学だけでなく、周期を繰り返すあらゆるシステムにおける普遍的なリズムパターンを明らかにする可能性もあるのです。」