生理学のシグナル伝達経路の中核をなす内因性時計

オンラインで2021年5月20日に公開

Chronobiologyは比較的若く、急速に発展している研究分野であり、内因性生物時計の起源、メカニズム、特権を理解することを目的としている。

Frontiers in PhysiologyのChronobiologyセクションでは、分子時計回路、時計の進化、動物モデル、生理学、トランスレーショナルリサーチ、クロノセラピーなど、この分野のあらゆる側面をカバーする研究を発表する学際的なフォーラムを提供している。過去数十年の間に、時間生物学は生理学研究の中で専門的なニッチを占めていたのが、この分野のすべてのレベルであらゆる側面に影響を与えるようになった。2017年には、「概日リズムを制御する分子メカニズムの発見」を理由に、3人のクロノバイオロジスト兼ドロソフィストであるジェフリー・C・ホール、マイケル・ロスバッシュ、マイケル・W・ヤングにノーベル医学・生理学賞が授与された。その後、この分野はかなり多くの関心と注目を集めるようになり、クロノバイオロジーが真のトランスレーショナルな時代に入ったことで、クロノフィジオロジーとその医学的な意味合いや応用に取り組んでいた研究者たちの努力も報われた（Cederroth et al 2019）。この時代の特徴は、関連性のある新規の臨床観察が盛んに行われていること（一例を挙げると、ある種の心臓手術の結果は時間帯に大きく依存するという事実;Montaigne er al)。 時計細胞自体の定義も変化しており、発振器としての資格を持つ特定の特徴を持つ細胞が存在するという考えから、時計や発振器が異なる生理学的プレーヤー（サーカディアン・ネットワーク）の相互作用から生じるというモデルへと移行している（Mizrak et al 2012）。同様に、視交叉上核（SCN）の時計ニューロン以外の脳構造[例えば、SCN自体の中のアストロサイト（Hastings er al 2019)手綱部（Baño-Otálora and Piggins, 2017)および血液脳関門（Cuddapah er al 2019）]が時計特性を示すか、またはSCN出力を調節する振動を多くの異なる方法で生成することが明らかになっている。このように、概日リズムと他の時間スケール（例えば、季節、月、潮汐など）の両方のリズムは、これまで以上に複雑で多彩で興味深い自然現象に変化している。時生物学が社会全体に与える影響も大きく、例えば、都市の照明を変更したり、学校の時間を修正したり、サマータイムを廃止したりするキャンペーンが行われている（Roenneberg et al 2019）。このような動きの中で、私が魅了され、できれば皆さんにも刺激を与えられるようないくつかの点に焦点を当ててみたいと思う。

原初の時計と非正統的な時計を求めて

この15年ほどの間に、非正規の概日時計、すなわち、これまで研究されてきたほとんどすべての生物の分子タイミング機構を特徴づける転写・翻訳フィードバックループ（TTFL）に基づかない時計も存在するという証拠が蓄積されてきた。さらに、いくつかの生物では、ゲノムの一部の時間的な発現を調整する上で重要な役割を果たしているようである。例えば、シアノバクテリアのSynecochoccus elongatusは、3つの時計タンパク質（KAI A、KAI B、KAI C）が関与する概日生化学振動を示し、転写後のリン酸化ループを生成している。さらに最近では、ペルオキシレドキシン（過酸化物レベルの制御に関与する高度に保存された抗酸化タンパク質）のTTFLに依存しない酸化・還元の概日サイクルが、バクテリア、古細菌、真菌、植物および動物で報告されている（O’Neill and Reddy, 2011; O’Neill et al 2011; Edgar et al 2012）。KAI Bとペルオキシレドキシンはいずれもチオレドキシンのスーパーファミリーに属しており、原核生物と真核生物の最後の共通祖先の原始時計の保存された遺物である可能性がある。これらの振動を駆動する分子メカニズムの理解は進んでいるが、その起源や特徴のほとんどは不明である。また、生体外で培養した哺乳類の細胞や組織では、非正規の時計が遺伝子、タンパク質、タンパク質修飾のかなりのセットの発現を制御していることが示唆されている（Ray er al)。 さらに詳しく説明すると、培養された（すなわち、SCNの影響下にない）皮膚線維芽細胞と、TTFLに基づく概日時計に必須の転写因子であるBMAL1を欠損した肝臓切片は、いずれもトランスクリプトーム、プロテオーム、およびリン酸化プロテオームの一部に24時間の振動を示す。著者らは、これまで無視されてきたこの時計の仕組みは、新規の転写因子群と、非転写的に制御されたペルオキシレドキシン様の酸化還元振動との相互作用に起因するのではないかと提案している（Ray er al)。 それにもかかわらず、この発見は依然として予想外のものであり、最近ではその一貫性、妥当性、重要性に関連して懸念が示されている（Abruzzi et al 2021,Ness-Cohn et al 2021）。最後に、胚の発生における概日時計と非正日時計の役割に関する利用可能なデータを検討・解釈した結果、機能的なTTFL時計が出現する前に、細胞分裂、代謝、エピジェネティックな修飾が時間的に組織化されることが示唆された（Bedont et al 2020）。したがって、非正規の、やや原初的な時計が、多能性に向けた細胞幹の進行を通して発生を制御することになる。このような時計の性質、TTFL時計の正確な時間的定義、そして初期の細胞コミットメントにおけるそれぞれの役割は、この分野で最もホットな話題の一つである。

サーカディアンフォトピグメントの本当の色

Provencioら（1998）が網膜組織にメラノプシンを発見し、サーカディアン生理におけるメラノプシンの役割を仮定するまでは、哺乳類SCNの光による環境との同期を媒介する光色素および光受容体の性質は不可解な問題であった。その後、Hattar et al 2002）とProvencio et al 2002）は、メラノプシンを含む網膜内側の内在性光感受性網膜神経節細胞（ipRGC）を発見し、SCNに単シナプス性の投射を行っていることを明らかにした。長い間、古典的な光受容体である杆体や錐体（知覚的な視覚に寄与し、網膜の外側に位置する）ではなく、ipRGC（RGC全体の約1%）だけが、青色光に感応する光色素メラノプシンを介してマスタークロックの光同調に寄与するというパラダイムが存在した。ipRGCは桿体や錐体に比べて光に対する感度が低く、光によって過分極ではなく脱分極する。また最近では、SCNに加えて脳の他のいくつかの領域を神経支配し、光に対する非画像形成反応を制御することも明らかになっている（Fernandez et al, 2016). これらには、松果体でのメラトニン合成の調節、海馬でのシナプス可塑性（Fernandez et al 2016年)睡眠、気分、中毒傾向などの表現型に関与している外側手綱核の機能（Baño-Otálora and Piggins 2017）などがある。

さらに最近の研究では、ipRGCsが脳、特にSCNに対して、さらに複雑な形でシグナルを送っていることが指摘されている。このシグナルは、ほとんど未知のメカニズムで桿体や錐体も関与しているが、双極細胞やアマクリン細胞を含む神経ネットワークの中で行われている（Ko, 2020）。このモデルは、メラノプシン欠損マウスが光によって何らかの同期をとることができ（Panda et al 2003年)強く減衰したとはいえ、位相シフト反応を示すという観察結果によって裏付けられている（Ruby et al 2002）。さらに、ipRGCを完全に切除すると、光による同調が消失する（Chen er al)。 このように、光同調に必須なのはメラノプシンではなくipRGCであり、桿体や錐体と機能的に相互作用していることが示唆される。したがって、他の波長に感応する別の光色素は、ipRGCの投射を介してSCNの光同調を調節する可能性があり、おそらく、脳の他の領域に応じて視覚以外の光反応も調節すると考えられる。最後に、網膜内側のメラノプシンは、時間分解能が低いにもかかわらず、形や空間的な視覚のいくつかの特徴にも関与しており、視覚認識におけるその役割について魅力的な疑問を投げかけている（Allen er al 2019）。このように、非視覚的な光受容を調節する光の色のパレットをアップグレードしないといけない時期が来ているようだ。これは間違いなく、24時間の間に光の衛生のいくつかの側面を知らせ、おそらく再定義するであろう。

ノンサーカディアン・リズム

概日リズム以外の時間領域で時間を決定する正真正銘の内因性時計の存在を示す説得力のある証拠と、それらの分子的・機能的特徴に関する情報が最近得られた。circatidal、circalunar、circannualおよびseasonの生物学的リズムの証拠は、確固たる基盤を獲得し始めており、これらの時計の分子構成要素のいくつかが現在、特定されている。興味深いことに、正規の概日時計遺伝子のいくつかは、ウルトラディアンおよびインフラディアンのリズムの生成にも寄与していることが示唆されている。この点に関する先駆的な研究は、Euridice pulchra（Zhang et al 2013）やPlatynereis dumerilii（Zantke et al 2013）などの海洋生物で行われており、潮汐時計と周回時計がそれぞれ潮汐に関連した移動と生殖腺の成熟を制御していることが明らかになっている。ウミウシのClunio marinusでは、月の光がcircalunar clockの同期に重要な役割を果たしているようだ（Kaiser er al 2016）。また、これらの時計はすべて、概日時計が薬理学的に遮断されても機能することが示されており、ある程度の独立性を示している（Zantke et al 2013;Zhang et al 2013）。このような時計の構成要素のすべてを定義し、機能的に特徴づけるには、さらなる研究が必要であり、これは時間生物学における現在の主要な課題の1つである。

哺乳類では、異なるSCN領域に位置するニューロンの電気的および転写／翻訳的活動の位相差が、光周期の長さを反映し、その結果としてコード化している可能性があることが観察されている（Inagaki er al)。 したがって、このような解剖学的・機能的組織は、季節の経過を特徴づける環境変化への適応を促進するための関連情報を生物に提供している可能性がある（circannual clock）。

人間の場合、どのような時間スケールでも内因性のリズムを研究することは困難である。その理由は、リズム自体に固有のものであり、また、人間が敏感に反応する環境の手がかり、習慣、社会的制約などによるマスキング／混同の影響があるからである。これらは、複雑で長時間の実験（いわゆるコンスタント・ルーティン（Duffy and Dijk, 2002））によってのみ取り除くことができるが、一般的には少数の若い健康な人を対象にして行われる。一方、リズミズムは、それが通常発現する環境の中で、より生態学的な方法で研究することもできる。さらに、人間の概日リズムはかなり明白であるが、異なる時間スケールのリズムはあまり明白ではなく、これまであまり研究対象とされてこなかった。興味深いことに、最近、人間の非概日リズムの例を示す2つのデータが発表された。1つ目は、数十年に及ぶ丹念な観察の結果、女性が月の輝度と重力の周期に合わせて月経周期を一時的に同期させていることを示したものである（Helfrich-Förster er al)。 もう1つは、ビッグデータ解析の結果、医療目的で収集された人間の実験データに季節性があり、生殖、成長、代謝、ストレス適応に関連するホルモンが冬から春にかけてピークを迎えることが記録されている（Tendler er al 2021）。ひとたび非概日的なヒトのリズムに関心が集まれば、利用可能なデータセットのビッグデータ解析と、アプリやその他のモニタリングデバイスなどによる新たなデータセットの両方が、興味深い臨床的に関連性のある情報を生み出すのに役立つことは想像に難くないであろう。

クロノバイオロジーとCOVID-19

SARS-CoV-2の感染やCOVID-19の発症は、概日時計の機能に影響を与える可能性が非常に高い。さらに、異なる時間スケールでのリズム（最も可能性が高いのは概日リズムと季節性リズム）が、感染の可能性や感染・発病の経過を調節する可能性がある。同様に、集中治療室の不整脈環境は、疾患の進展に予想外の影響を及ぼす可能性がある（Haspel er al 2021）。承認された治療法の投与時期は、治療法自体の性質と患者の反応の両方に関連して、その望ましい副作用の実体に影響を与える可能性がある（Haspel er al 2021）。このように、パンデミックとリズミズムとの複雑でまだほとんど解明されていないさまざまな時間スケールでの関係については、Journal of Biological Rhythms誌に最近掲載された論文の中で、著名な研究者たちが考察している（Sengupta et al 2020,2021,Borrmann et al 2021,Cermakian and Harrington 2021,Haspel et al 2021,Kronfeld-Schor et al 2021）。パンデミックが続く中、時間生物学者や関連分野の科学者たちはこの関係に敏感になり、利用可能な実験室／臨床データを遡及的に検討し、プロスペクティブに収集している。ヒトのサンプル（綿棒、血液、尿など）の採取、治療の実施（Ruben et al 2019年)予後調査や大規模・長期的な研究に使用するためのワクチン接種の実施など、タイムスタンプ（完全な日付に加えて時計の時刻）の適切性などの問題が再び注目されている。積極的で寛大で強力な同僚たちが、この目的のために我々に代わってロビー活動を行っている。

国や時期によって実施されるロックダウンは、社会のある程度の階層化をもたらしており、恵まれたグループは社会的制約からある程度解放され、ライフスタイルや生産性に大きな変化はないが、その他のグループは身体的、感情的、組織的、経済的にかなりのストレスを受けており、軽度および重度の精神疾患が大幅に増加している（Holmes er al 2020）。精神疾患とリズムの間には確立された関係があり、この臨床分野におけるクロノセラピー（すなわち、光やメラトニンの時間差投与）の効果を示す証拠は、他の医学界で一般的に認識されているよりもかなり逸話的なものではない（Wirz-Justice and Benedetti, 2020）。

パンデミックとその中長期的な影響に立ち向かうためにあらゆる経験が必要とされている今、トランスレーショナル・クロノバイオロジー、クロノファーマコロジー、そして安価で実質的に副作用のない治療法でもあるクロノセラピーは、強力なリソースになるかもしれない。