キーワード:生物時計 ショウジョウバエ

研究成果


石田直理雄  
1)
 これまでの研究概要

生体には生物時計(体内時計)が存在し、睡眠・覚醒・血圧・体温など様々なサーカディアンリズムをコントロールしている。その分子的正体は、ここ13年の我々を含む国内外の研究室の競合的研究の結果、主に4種類の体内時計分子(CLOCK / BMAL / CRY / PER)による転写活性化と不活性化の日周的繰り返し発現機構である事が明らかになってきた。 時計遺伝子とはその機能を消失させた時に行動のレベルで日周リズムをなくす又は変化させるものを言う。これまで生理的日周リズムを支配している体内時計のリズム形成機構を哺乳類からショウジョウバエまでのモデル動物を用い分子レベルで解明してきた。最近は、日周時計から季節時計の経路を時間生物的な観点から解明している。

1)中枢時計と末梢時計の研究
 まず1998年に世界に先駆け、rat Period2(rPER2)遺伝子のクローニングに成功した。さらにrPER2遺伝子の末梢での日周発現が中枢(SCN)により支配されることや中枢と末梢での時計分子機構が異なることを報告した(Journal of Biological Chemistry, 273.27039- 27042(1998)。残念ながらMOUSEのPER1の競合グループに一歩印刷が遅れたが現在でも200回を越える引用をされている。又、その後PER1、PER2、PER3の中でPER2が最も重要な時計因子である事をトランスジェニックマウスを作り明らかにした。
2)生物時計遺伝子産物の核内移行分子機構
 従来哺乳類では不明であった時計遺伝子産物(PER2、CRY等)の核移行分子機構解明に成功した(Mol.Cell.Biol. ,21.6651-6659(2001)。
3)新規時計制御遺伝子のネットワーク研究
 末梢時計のリズム形機構が中枢とは異なることを見出し、末梢時計のリズム形成に関る遺伝子群を網羅的に解析する目的で、時計変異マウスを用いて肝臓で振動する遺伝子の網羅的解析を行ない細胞分裂、脂質代謝や蛋白分解に関するものが見出された。(Journal of Biological Chemistry,278.41519-41527(2003)。さらにこれらを副腎皮質ホルモン依存的にリズムを形成するものとそうでないものに分類した。(DNA Res.12(3)191-202(2005)
4)新規哺乳類時計遺伝子の探索
 Glycogen Synthase kinase-3が新規時計遺伝子産物としてPER2をリン酸化し、核内以降促進する事で体内時計を調節することを見出した。(J.Biol Chem. 280(33)29397-29402(2005)
哺乳類の負の転写因子E4BP4がPer2の転写を制御する事で時計遺伝子として機能することを見出した。(Nuc.Acids.Res. 35, 648- 655 (2006)

5)生物時計から冬眠(日内休眠)機構への経路
 PPARαのリガンドは長日下(夏季)において、マウスの日周体内時計を進め、体内季節時計に影響し日内休眠(体温低下と深いノンレム睡眠)をおこす。 この薬剤の受容体PPARαは、治療の難しい冬季うつ病等の創薬のターゲットとなりうる。 さらに生物時計と冬眠(日内休眠)機構に関る分子として肝からFGF21、脳からNPY(ニューロペプチドY)を同定した。 このメカニズムをさらに解明することで、人の冬期うつ病のような治療の難しい病気に対する新しい治療方法を開発できると思われる。
6) エンドセリンファミリーの遺伝子として腸管で発現する新規ペプチドVasoactive Inteitinal Contractorを見出し、その腸管収縮機能を報告した。(J.Biol Chem. 264,(25)14613(1989), FEBS lett247(2) 337(1989))

7)生物時計改変動物による生殖行動パターンの研究
 生物時計により生殖行動が影響を受けるか否かを解明することを目的として、ショウジョウバエ時計遺伝子period、timeless等の変異体の生殖活動リズム測定系の確立に成功した。さらに、同じ地域に生息する近縁種のショウジョウバエのメイティングリズムを調べてみると、まったく逆のパターンを示したことから時計遺伝子によるメイティングリズムの違いが、種の保存にも影響を及ぼしていると考えられた(Proc.Natl.Acad.Sci.,98.9221-9225(2000)。この機構を調べる目的で異種ショウジョウバエの時計遺伝子の遺伝子工学的交換によりメイティングリズムが変化する事も示した(J of Circadian Rhythm 2006)。 雄が雌に接近するclose-proximity(CP)リズムの脳内中枢の同定に成功した。(Genes to Cells、2010)
8)生物時計の睡眠への影響
 睡眠異常を示すヒト神経疾患関連遺伝子(Fragile X syndrome)のショウジョウバエホモログが睡眠・覚醒行動リズム異常を示すことを見出した(Current Biology,12.1331-1335(2002))。 キイロショウジョウバエの交尾行動(写真提供: 坂井 貴臣)

9)下表で示したマウス時計遺伝子(二重線)を1998年よりクローニングし、マウスやラットの行動解析や生化学的解析により体内時計機能を明らかにしてきた。

表1 ショウジョウバエと対応するマウスの時計遺伝子
ショウジョウバエ
マウス
Period

mPeriod 1

mPeriod 2

mPeriod 3

Timeless

Timeout/timeless 2

mTimeless

Cryptochrome(ハエでは入力)  mCryptochrome 1
 mCryptochmrme 2
Clock(Jrk)

Clock

 NPAS2/MoP4
Cycle

Bmal1/MOP3

 Bmal2/MOP9
doubletime

casein kinase I ε

 casein kinase I δ
shaggy

GSK3β

protein phosphatase 2A
slimb

β-TrCP1, β-TpCP2

vrille

E4BP4


2)
 文献
英文
1. Chronic restraint stress affects PER2 expression through GSK-3b hyperphosphorylation in the mouse central clockKinoshita C, Miyazaki K, Ishida N. Neuroreport. 2012 Jan 25;23(2):98-102.
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3. Caffeine lengthens circadian rhythms in mice. Oike H, Kobori M, Suzuki T, Ishida N. Biochem Biophys Res Commun. 2011 Jul 8;410(3):654-8. Epub 2011 Jun 13.
4. Evening circadian oscillator as the primary determinant of rhythmic motivation for Drosophila courtship behavior. Hamasaka Y, Suzuki T, Hanai S, Ishida N. Genes Cells. 2010 Dec;15(12):1240-8. doi: 10.1111/j.1365-2443.2010.01456.x. Epub 2010 Nov 9.
5. High-salt diet advances molecular circadian rhythms in mouse peripheral tissues。 Oike H, Nagai K, Fukushima T, Ishida N, Kobori M. Biochem Biophys Res Commun. 2010 Nov 5;402(1):7-13. Epub 2010 Oct 1.
6. CLOCK regulates circadian rhythms of hepatic glycogen synthesis through transcriptional activation of Gys2. Doi R, Oishi K, Ishida N. J Biol Chem. 2010 Jul 16;285(29):22114-21. Epub 2010 Apr 29.
7. Tumor growth suppression in vivo by overexpression of the circadian component, PER2. Miyazaki K, Wakabayashi M, Hara Y, Ishida N. Genes Cells. 2010 Apr 1;15(4):351-8. Epub 2010 Mar 4.
8. Conserved amino acid residues in C-terminus of PERIOD 2 are involved in interaction with CRYPTOCHROME 1. Tomita T, Miyazaki K, Onishi Y, Honda S, Ishida N, Oishi K. Biochim Biophys Acta. 2010 Apr;1803(4):492-8. Epub 2010 Jan 25.
9. Circadian clock in Ciona intestinalis revealed by microarray analysis and oxygen consumption. Minamoto T, Hanai S, Kadota K, Oishi K, Matsumae H, Fujie M, Azumi K, Satoh N, Satake M, Ishida N. J Biochem. 2010 Feb;147(2):175-84. Epub 2009 Oct 25.
10. Ketogenic diet disrupts the circadian clock and increases hypofibrinolytic risk by inducing expression of plasminogen activator inhibitor-1. Oishi K, Uchida D, Ohkura N, Doi R, Ishida N, Kadota K, Horie S. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2009 Oct;29(10):1571-7. Epub 2009 Jul 23.
11. Role of PPARalpha in the Control of Torpor through FGF21-NPY Pathway: From Circadian Clock to Seasonal Change in Mammals. Ishida N.
12. Kid-1 participates in regulating ERK phosphorylation as a part of the circadian clock output in rat kidney. Yamato M, Ishida N, Iwatani H, Yamato M, Rakugi H, Ito T. J Recept Signal Transduct Res. 2009;29(2):94-9.
13. PERIOD2 is a circadian negative regulator of PAI-1 gene expression in mice. Oishi K, Miyazaki K, Uchida D, Ohkura N, Wakabayashi M, Doi R, Matsuda J, Ishida N. J Mol Cell Cardiol. 2009 Apr;46(4):545-52. Epub 2009 Jan 10.
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28. Suzuki T, Shimoda M, Ito K, Hanai S, Aizawa H, Kato T, Kawasaki K, Yamaguchi T, Ryoo HD, Goto-Inoue N, Setou M, Tsuji S, Ishida N, Expression of Human Gaucher Disease Gene GBA Generates Neurodevelopmental Defects and ER Stress in Drosophila Eye PLOS ONE 8(8)1-8 (2013)

和文と教科書
1. 生物時計のはなし 羊土社 バイオサイエンスシリーズ(教科書)(1999)
2. 生物時計の分子生物学 海老原、深田著 分担執筆、スプリンガー社(2003)
3. Miyazaki K., Mezaki M., Ishida N., The role of phosphorylation and degradation of hPER protein oscilation in normal human fibroblasts. MOLECULAR CLOCKS AND LIGHT SIGNALLING 238-249(2003)Willey社(教科書)
4. 時間生物学事典 朝倉書店 石田 直理雄、本間研一 編
5. よくわかる時計遺伝子 白日社 石田 直理雄編  産総研出版
6. 看護のための最新医学講座  医学と分子生物学(第31巻) 中山書店(2003)
7. 石田 直理雄、源 利文、DNAチップを用いた生物時計機能解析-ショウジョウバエの交尾行動リズムとホヤの体内時計 DNAチップ活用テクノロジーと応用 潟Vーエムシー出版(2006)
8. 癌、うつ、梗塞のマーカーとしての時計タンパク質の基礎と臨床的意義.LISA,17巻,26−31,2010 石田 直理雄
9. 時計遺伝子と糖質代謝―栄養が時計の針を遅らせる機構. 循環器内科、68巻5号 428−433、2010 石田 直理雄
10. 時計遺伝子の最近の進歩とコレステロールや食事との関り  オレオサイエンス 11(10)391〜396、2011 石田 直理雄、鈴木 孝洋
11. 中心静脈栄養とサーカディアンリズム 臨床栄養 120(2)130−131、2012 石田 直理雄
12. 体内時計ってなんで1日25時間なの? 子供の科学 42 2012.9
13. 体内時計の振幅を上昇させる物質による寿命延長 -アイスプラントからの応用 HUMAN SCIENCE TOPIC W 24−27 2013
14. 睡眠や認知症研究のツールとしてのショウジョウバエ LABIO21 12−15 2014 石田 直理雄、川崎 陽久、伊藤 薫平

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