第３回

体内時計を介した概日リズムの発生機構

体内時計は太陽光との関連性が深いことは良く知られていますが、食事による影響についてはあまり理解されていません。第３回では、初回講座の続きとして中枢時計と末梢時計の働き方の違いについて、また第２回に解説した内容と関連する時計遺伝子を介した概日リズムの発生機構について説明します。

体内時計（中枢時計と末梢時計）について
光の刺激は網膜（メラノプシン発現神経細胞）から、視床下部の上部にある視交叉上核（ suprachiasmatic nuclei：SCN、約１万６千個の神経細胞から成る神経核領域） に伝わり、その神経細胞内に存在する中枢時計（主時計や親時計とも言われる）に達します（図１）。中枢時計は身体中の細胞に指令を送る司令塔で、全身の数十兆個の細胞に同調を促す働きを担っています。そして、その指令を受け取って同調する（リズムを刻む）のが個々の細胞に存在する末梢時計（従時計や子時計とも言われる）です。演奏会の指揮者に例えられる中枢時計から演奏家の末梢時計に指令が伝達される仕組みは、完全には解明されていませんが、その情報伝達に関わるのは交感神経系やホルモン、サイトカインなどの体液中の成分（液性因子）であると考えられています。例えば、中枢時計からの発振（シグナル）が交感神経を介して直接副腎を刺激し、増加した副腎皮質ステロイドホルモン（グルココルチコイド）が全身の細胞に情報を伝える
結果、末梢時計の同調が起こるという機序です 1) 。実際には、様々な液性因子が複合的に作用して体内リズムを形成していると考えられます。

一方、時間栄養学の核心部分と言えるのが食事による概日リズムへの影響です。中枢時計の発振に応じて液性因子が増加する結果、全身の末梢時計の概日リズムに指令が伝わるならば、食事に含まれる栄養成分によっても同様に末梢時計の概日リズムは影響を受ける可能性があります。そしてそれが最初に証明されたのは、中枢の影響がない培養細胞を血清（血液から血球を除いた成分）で刺激すると時計遺伝子にリズムが発生したと言う 1998 年の報告です 2) 。さらに、マウスに特定の時間にだけ餌を与える制限給餌の実験で、肝臓や腎臓、心臓、膵臓にある末梢の時計遺伝子の概日リズムが中枢時計とは無関係に前進したり後退したりする（位相が変わる）ことが明らかにされ 3)（図２）、別のグループからも同様の実験結果が報告されました 4) 。これらのことから、末梢に存在する時計遺伝子は主に食事の影響を受けて体内時計の概日リズムをリセットすることが明確になりました。食事をする時刻や食事の内容（組成）が末梢細胞の概日リズムに影響するという発見は、健康について時間栄養学の視点で考える契機になった点で大変に重要なものだったと思われます。

概日リズムの発生機構
1729 年にフランスの科学者がミモザの木を観察した結果から、植物には太陽の光に依存しない 24 時間周期を生み出す仕組みがあることを見出したのが概日リズムの存在を示した最初だと言われています。その後の長い年月を経て、体内時計に関する研究は、後述するノーベル賞と関連する 1970 年以降のショウジョウバエ（染色体が四対しかなく、世代交代も 10 日程と短い）を用いた時計遺伝子の発見により進展しました（表１）。現在想定されている概日リズムの発生機構について以下に説明します（図３）。

第２回講座で解説しましたように、体内時計タンパク質もその設計図である時計遺伝子から転写・翻訳過程を経て合成されます。時計遺伝子（Per（パー）や Cry（クライ））の転写に影響を及ぼす遺伝子中の調節領域には、E-ボックスと呼ばれる 6 塩基対からなる特定の遺伝子配列（典型的な配列は CACGTG）が存在しています。一方、別の時計遺伝子（Clock（クロック）や Bmal（ビーマル）の産物である分子時計（注１）（CLOCK や BMAL）にはこの E-ボックスに結合する働きがあります 5）。図３に示しますように、時計遺伝子を介した分子時計の周期的な増減が発生する機構は、以下のようなフィードバックループが形成され る こ と によりま す。 すな わち、 分 子時計の CLOCK と BMAL がヘテロ二量体（CLOCK-BMAL のように異なる物質が対になった状態）を形成して核内で時計遺伝子の Per や Cry に存在する E-ボックス配列に結合すると、それぞれの転写が促進される結果、細胞質内に分子時計の PER や CRY が翻訳によりたくさん産生されます。この PER と CRY がヘテロ二量体（PER-CRY）を形成して核内に移行すると、今度は CLOCK-BMAL の働きを阻害するように作用します。その結果、E-ボックスに依存した転写反応が進まなくなり、次第に Per と Cry の発現（結果的に PER と CRY の産生）が減少してくるので、逆に CLOCK-BMAL の働きが回復して転写（その後の翻訳）が促進するようになるというものです 5-7) 。この発現増減のサイクルは睡眠から目覚めた後の強い光刺激によりリセットされるので、24 時間周期の変動が毎日発生することになります。
この機構において重要なのは、E-ボックス配列を有する別の遺伝子とその産物のタンパク質（例えば、図３中の Tm と TM）にも、時計遺伝子とその産物（分子時計）と同様の転写促進/抑制反応のサイクルが生まれ、24 時間の概日リズムが発生することです。実際にはタンパク質のリン酸化や別の経路も関与するなどもっと複雑な調節機構になっていますが、基本的には図３に示すような時計遺伝子の発現変動を介して分子時計が増減することで、概日リズムが発生すると理解されています。末梢時計は光に感受性の高い中枢時計からの指令を受け取りますが、食事による影響も大きいことから、朝日を浴びてからあまり時間を経過しないうちに朝食を摂取し、両時計が同調するリズムを刻むような生活を送ることが大切です。

（注１）体内時計と分子時計の使い分けは明確ではありませんが、本講座では体内時計は機能を表す時に、分子時計は個々の時計タンパク質を意味する時に使用します。

体内時計とノーベル賞
2017 年のノーベル生理学・医学賞は「体内時計を制御する分子メカニズムの発見」により米国の 3 人の研究者が受賞しました（図４）。体内時計をコントロールする「時計遺伝子」を発見し、その仕組みを解明したことが受賞理由です。彼らの発見に先立って 1971 年にショウジョウバエから体内時計（ Per変異体）を見つけたシーモア・ベンザー博士 8） もご存命なら受賞されたことでしょう。

著者は日系アメリカ人のジョセフ・タカハシ博士（哺乳類では初めてになる時計遺伝子 Clock（変異体はイタリック体を使う）を 1994 年に発見 9））が受賞者の一人になるかと思っていましたし、池田正明先生（埼玉医科大学、BMAL1（ Brainand Muscle Arnt-like 1 の頭文字）の命名者 10） で、2018 年 8 月に女子栄養大学で開催した第 5 回時間栄養科学研究会（現日本時間栄養学会（注２））において特別講演（演題：ノーベル賞研究に貢献した時計遺伝子 Bmal1 の発見）をしていただきました）も候補者の一人と思っていました。また、この領域における初期の研究とは言えないものの、食事（栄養）によって末梢の時計遺伝子の発現が大きく影響を受けることを発見した前述の培養細胞や制限給餌での研究2-4）も極めて重要な報告だったと考えられます。

現在、私達に身近な食材の摂取法や食事時刻に関するたくさんの研究成果が報告されるようになり、「時間栄養学と疾患」について大きな関心が持たれています。これらの内容については次回以降に紹介させていただきます。

（注２）第 8 回日本時間栄養学会学術大会（大会長：大池秀明（農研機構）、テーマ：「美味しさ・食欲と時間栄養」）が 2021 年 8 月 27〜28 日にオンラインで開催されます。興味のある方は学会のホームページ（https://www.
chrono-nutrition.jp/）をご覧ください。

参考文献
1) Le Minh, N, et al. : Glucocorticoid hormones inhibit food-induced
phase-shifting of peripheral circadian oscillators, EMBO J. , 20,7128-7136 (2001)
2) Balsalobre,A., et al. : A serum shock induces circadian gene
expression in mammalian tissue culture cells, Cell , 93, 929-937(1998)
3) Damiola, F., et al. : Restricted feeding uncouples circadianoscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the
suprachiasmatic nucleus, Genes Dev. , 14, 2950-2961 (2000)
4) Stokkan, K.A., et al. : Entrainment of the circadian clock in theliver by feeding, Science , 291, 490-493 (2001)
5) Kume, K., et al. : mCRY1 and mCRY2 are essential components of thenegative limb of the circadian clock feedback loop, Cell , 98, 193-205(1999)
6) Gekakis, N., et al. : Role of the CLOCK protein in the mammalian
circadian mechanism, Science , 280, 1564-1569 (1998)
7) Dunlap, J.C.: Molecular bases for circadian clocks, Cell , 96: 271290 (1999)
8)

Konopka,R.J.,

andBenzer,S.:Clockmutants

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Drosophila

9) Vitaterna, M.H., and Takahashi, J.S., et al. : Mutagenesis andmapping of a mouse gene, Clock, essential for circadian behavior,

Science , 264, 719-725 (1994)10) Ikeda, M., and Nomura, M.: cDNA cloning and tissue-specificexpression of a novel basic helix-loop-helix/PAS protein (BMAL1) andidentification of alternatively spliced variants with alternativetranslation initiation site usage, Biochem.Biophys.Res.Commun. , 233,
258-264 (1997)