食事と体内時計

早稲田大学、理工学術院、柴田重信（http://www.waseda.jp/sem-shibatas/）

体内時計の基礎的な話

体内時計とは何か？
（１）ウルトラディアンリズム（９０分周期）：睡眠・覚醒（２）サーカディアンリズム（２４時間周期）：一般的（３）サーカルーナリズム（１月周期）：月経（４）サーカアニュアルリズム（１年周期）：繁殖

体内時計は生体に周期変動をもたらす仕組みであり、周期が短いものから、長いものまである。この中で、時計遺伝子が発見され、分子基盤がわかっているのはサーカディアンリズムだけである。

日内リズム、日周リズム

概日リズム、サーカディアンリズム

ラットの活動量のリズム。左側は１２時間の明期と１２時間の暗期に同調している。
右側は恒常的な暗期で飼育しているため、活動開始が遅れている。つまり２４時間より長い周期のリズムが見られる。

日内リズムの代表例（１） 身体活動（２）体温（深部体温）（３）ホルモン量（コルチゾール、メラトニン）（成長ホルモン）（４）睡眠ー覚醒（５）消化・代謝活動（６）心・血管運動（７）免疫系

体内時計の仕組み
脳内/末梢組織

光同調
視交叉上核

光刺激

睡眠・覚醒
体温
ホルモン
代謝

網膜

入力系

発振体

出力系

体内時計は３つの部分から構成されている。約２４時間で振動する発振体、約２４時間周期をぴったり２４時間に合わせる入力系、この信号を他の臓器などに伝える出力系がある。次の図には、神経の連絡から見た模式図が書いてある。

視交差上核の入力・出力
自律神経
視交叉上核

中脳逢線核背側部位

VP

PACAP

中脳縫線核内側部位

メラノプシン
Substance P

光

セロトニン神経系

VIP

グルタミン酸ＧＡＢＡ
NPY
ノシセプチン

メラトニン

松果体

外側膝状体

視交叉上核の入力/出力の模式図
視交差上核に向かう矢印は２４時間より長い周期を２４時間にあわせるための同調入力で、赤線は視交差上核からの信号が他の脳や、末梢の臓器に伝える信号で、神経性のものと液性（ホルモン、栄養因子）のものがある。松果体はメラトニンを介して、入力と出力の両方の系を持っている。

概日リズムは外因性か、それとも内因性か ？
（地球が２４時間周期回っているから、単に２４時間変動を示すのか？）

宇宙空間での研究毛利さんが赤パンカビを宇宙空間で飼育しても９０分周期でなく、２４時間周期であった。

時計遺伝子の発見

時計遺伝子を壊すとリズムがなくなることから、ＤＮＡに組み込まれた機能である。

自由継続の周期の違い

もしも地球の自転そのものを反映するとしたらすべての動物や人は２４時間であるはずであるが、２４時間より長い種も短い種もいる。

時計遺伝子を使った内因性のリズムである。

体内時計の3要素

周期

位相

振幅

２４時間に近い周期を持つが、時計遺伝子が壊れると長くなったり、短くなったりする。また、老化すると短めになる。
グリニッジを標準時間として、時刻を決めているように体内時計も標準時間に対する時刻の進みや遅れを決める。
視交差上核を標準時間とすると、マウスの肺や肝臓などにある時計の時刻は遅れていることが分かっている。
振動の大きさであり、体温の日内リズム変動の大きさは小さいが、血中のメラトニン量や肝臓にある酵素では数倍に変動するものもある。老化が進むと一般的に振幅が小さくなる。

視交差上核時計
脳時計

末梢臓器時計時計遺伝子が発見されて以来、視交差上核、大脳皮質、肝臓など、生体のほとんどあらゆる臓器にこの遺伝子が発現し、約２４時間振動をしていることが分かった。視交差上核がオーケストラの指揮者で、他の場所が楽器のパートになり、指揮者のもとで、演奏ができていると、考えられています。しかしながら視交差上核が壊れると、それぞれのパートが勝手に演奏し、調和が保てなくなる。指揮者がどのような指示を出しているか、研究中である。

視交叉上核が主時計（指揮者）である証拠（１） 破壊するとほとんどすべての日内リズム（体温、睡眠など）が消失する。
（２）ここの神経核のエネルー代謝や神経活動にリズムが見られる。
（３）ここの神経核を取り出し、培養してもリズムが持続する。
（４）破壊後に、視交差上核を移植するとリズムが再び回復する。

視交叉上核

昼間
視神経夜間
視神経

視交差上核は視神経の直上に１対あり、約１万個の細胞から成ります。
時計遺伝子（mPer1)は昼間には強く発現し、夜間にはほとんど発現しません蛍光強度（１分間あたりのカウント数）
mPer1遺伝子発現に伴って視交差上核の蛍光強度が強くなるようなマウス。
視交差上核に細いファイバーを挿入し、５日間の蛍光強度を調べると見事な日内リズムが見られる先に示したマウスの視交差上核を培養して観察すると、発光の強くなる時刻がだんだん後ろにずれていく（赤い矢印）ことから、２４時間より長い周期で発光していることが分かる。

体内時計の発振の分子機構

哺乳類における分子時計モデル

Clayton JD et al. (2001)より

たとえば、BMAL1/CLOCK夫婦がパンを作るとします。できたパン（ＰＥＲ）は、CKIが焼印を押すとどんどん出荷され、なかなか倉庫に貯まりません。
それでもがんばると、閉店の連絡が夫婦のところに来て、やっと約１日（約２４時間）の仕事が終わります。ところが、焼印が熱くならなかったり、パンの方の焼印を押す場所が窪んでうまく押せなかったりすると、出荷できず倉庫にすぐにパンが貯まり、１日の仕事が早く済むことになります。つまり、このような遺伝子変異があると、体内時計が２４時間より早く回ることが知られています。

cytosol

BMAL1
NPAS2
BMAL1
CLOCK 促進抑制
パン作り閉店信号

CRY

PER
倉庫のパン

BMAL1
CLOCK

PER

CACGTG

E-box
nucleus

Per mRNA
パンの種

PER
CKIε

ユビキチン化 パンの出荷
分解

抑制
促進因子
ﾌﾟﾛﾓｰﾀ

時計振動体
遺伝子

抑制因子

時計遺伝子が概日振動をするメカニズムは、上に示したような、タンパク質が自分自身の発現を抑制しているというフィードバックループで成り立っていると理解されています｡つまりこの仕組みが一回りするのに２４時間かかります。

２４時間より長い体内時計を２４時間に合わせるリセットは、朝方の日光が重要であることを次の図で示す。

上の図は睡眠の模式図であり、暗闇の中では、入眠のタイミング（起床時） が毎日後ろにずれていく。起床時（赤丸）に光照射をすると、次の日（入眠時） の入眠時刻が、早まる（前進）。一方、入眠してすぐに（青丸）光照射
すると、次の日の入眠時刻が遅くなる（後退）。
ところで、寝ていないとき（黄丸）に光照射しても、ずれない。
起床
入眠

下図は、入眠するときを１２時と定義し結果をプロットすると、図のような曲線が得られる。すなわち夜の前半に強い光を浴びると時計が遅れるようになり、朝起きるのがますますつらくなります。
起床して朝日を浴びると時計が前に進み遅れなくてすみます。

光が体内時計のリセットに重要である一方で、今回のテーマである規則正しい食事が体内時計を整える可能性について考える。

体内時計の仕組み
脳内/末梢組織

光同調
視交叉上核

光刺激

睡眠・覚醒
体温ホルモン
代謝

網膜？

？

給餌刺激
入力系

振動体

出力系

体内時計の主時計は視交差上核に存在する。この時計をリセットするのは朝の光である。
しかしながら、他の脳部位や末梢の臓器にも時計があり、これは視交差上核の支配下にあるが毎日の給餌刺激でもリセットできるのか？

制限給餌によるリズム形成に対する視交差上核破壊の影響破壊していないマウス
明日数

暗明

視交差上核の破壊マウス
明暗暗明

暗日数

中心時計である視交差上核を破壊すると、マウスの活動リズムは消失する（右の図）。
しかし、毎日一定時刻餌を与えると（赤の枠）、このマウスは再びリズムを出現する。普通のマウスでも昼間の一定時刻（赤の枠）に餌を与えると、このマウスの活動は昼間に移り、夜行性から昼行性のネズミになった。この研究から言えることは、（１）行動リズム（体温リズムも、図にはない）は光のリセットより食事のリセットに影響されやすい。
（２）視交差上核という中心時計がなくても、食事のリズムで２４時間リズムを形成できる。

制限給餌時の大脳皮質および視交差上核におけるPeriod遺伝子発現リズムの変化

mPer2遺伝子120100100

相対的発現量

制限給餌群

視交差上核**120Intensity of mRNA (%)

対照群

mPer1遺伝子大脳皮質

80806060**

402014012010080604020019 233711 154020019 233711 1519 23

3711 15120**

1008060**

402019 233711 150

餌を昼間に６日間与えると、大脳皮質の時計遺伝子発現リズムは夜のピークが昼に移動する（青いライン）。一方、視交差上核では餌を昼間に与えても、時計遺伝子発現リズムは全く影響を受けなかった。グラフの白バーは昼間を、黒いバーは夜間を表す。水色のバーは、餌を与えていた時間帯を示す。

制限給餌時の肝臓におけるPeriod遺伝子発現リズムの変化

対照群
制限給餌群

相対的発現量mPer2

Cyp7A12010080

相対的発現量**60**4020019 23160

3711 15B-actin*12080400**19 2337*

11 15

相対的発現量相対的発現量mPer1500*400300200*100019 233711 1519 233711 1516012080400

餌を昼間に６日間与えると、肝臓の時計遺伝子発現リズムは夜のピークが昼に移動する（青いライン）。さらに、コレステロールを分解する酵素の遺伝子発現リズムもシフトした（Cyp7A）。グラフの白バーは昼間を、黒いバーは夜間を表す。水色のバーは、餌を与えていた時間帯を示す。

体内時計の仕組み
脳内/末梢組織

光同調
視交叉上核

光刺激

睡眠・覚醒
体温
ホルモン
代謝網膜×

○

給餌刺激
入力系

振動体

出力系

体内時計の主時計は視交差上核に存在する。この時計をリセットするのは朝の光である。
毎日の給餌刺激は、視交差上核を介さずに、脳の時計や末梢時計リセットできる。
したがって、規則正しい食事が大事である。

肥満・糖尿病モデルマウスではどうだろうか？

これらのマウスの摂食行動のリズム性が失われている？

そうすると体内時計がこわれている？

食事時間を守れば元に戻る？

方法（１）糖尿病モデルマウスの肝臓を下の4点でサンプリングした。
明ZT0ZT6

暗ZT12ZT18（２）糖尿病モデルマウスに食事制限を行い、肝臓を下の4点でサンプリングした。
餌時間
Day1-11ZT18Day12ZT0

ZT6ZT12

サンプリングスケジュール

ZT18

ZT22

db/+とdb/dbにおける食事制限前後の行動データ

db/+（対照群）
日数

餌db/db（肥満・糖尿病マウス）
日数

餌

あ8餌

餌

あ8Time of day

888Time of day

肥満マウスは活動リズムが消失していた（右側）、しかしながら給餌時間を夜間の一定時刻に設定すると（赤い枠）、夜行性のリズム性を取り戻した。

8db/dbマウスの肝臓の時計遺伝子発現における夜間食事制限の効果
暗明db/+（対照群）
5.04.0db/db（モデルマウス）

mPer2（時計遺伝子）

3.0**
##
##

2.0
#1.0**

0.006

1218*

1.5
1.00.5

自由摂食**

食事療法６日目##

0.006

食事療法１２日目
1218

モデルマウスのmPer2時計遺伝子発現リズムが消失しているが、夜間の給餌制限で再びリズムを取り戻している。

食時間によって体内時計がリセットされるのであれば海外旅行に行く人を対象に、食事時間を前もってハワイ時間に合わせているとハワイ時間に合わせやすくなり現地での睡眠障害が解消できるか？

睡眠が改善

対照群
実践群

睡眠が悪化
高齢者ではハワイに行ったとき、睡眠が悪化する人が多かった。しかしながら
年齢
ハワイに行く３日前から、ハワイ時間に合わせた食事をしていると、睡眠障害が軽減される

体内時計のリズム性維持には外界の明暗刺激とともに食事のリズムが重要である。
（１）規則正しい睡眠リズムや食事のリズムを保っていると、外界の光刺激と食事が協力して生体のリズム形成を行う。
（２）朝食を抜いたり、夜食を取る習慣は、体内時計の位相を後ろにずらすこととなり、夜型生活パターンを助長しやすくなる。