核内受容体を介した脂質代謝から 体内時計へのフィードパック制御

E主司日臨時開府i
J
f
j
尋遺書当需軍事
核内受容体を介した脂質代謝から
体内時計へのフィードパック制御
大石勝隆，
.
_
産業技術総合研究所
生物機能工学研究部門
生物時計研究グルー プ
4時間周期の概日時計を獲得する
地球上の生物にとって、地球の自転周期に合致した約 2
ことは、生存競争の中で勝ち残るための重要な要素であ ったと考え られる 。晴乳類の時計
遺伝子が.最初に報告されてから 10年余りが経過したが、体内時計の研究は、時計遺伝子を
中心とした分子レベルでのリズム発振機構の解明を目指す方向で爆発的な発展を成し遂け、
てきた 。 その一方で、脳神経系以外の組織に存在する末梢時計に関する研究により、体内
時計の生理的役割についても様 々な知見が得られている 。本稿では、体内時計と脂質代謝
との関連性に焦点を当て、筆者がこれまでに行 ってきた研究を中心に、個人的観点から論
じてみたいと思う 。
は
、 CLOCKの転写タ ーゲットである P
e
r
lやPe
r
2の
はじめに
生物は、その長い進化 の過程 において、捕食者か
mR
NA発 現量 が 夕 刻 か ら 夜 の 前 半 に か け て 最 も 高
らの攻撃と、餌の不足による 飢餓に絶 えず苦しめら
くなる ことか ら
、 Z
T14 (日没後) とZT2 (
早朝)に
、
れながら、これらの困難を克服するため の様々なシ
C
l
o
c
k迫伝子変異マウス及び野生型マウスから肝臓
DNAマイクロアレイによる ヒ
上
ステムを獲得してきた 。体内 H
寺言十
のシステムが、環
をサンプリングし、
境に適応するように自然淘汰されてきたと考えるな
!院解析を行った 。 その結果 、町'生型マウスで日周発
らば、 エネルギーの代謝制 f
i
lに時 計遺伝子が関わ っ
現し、 C
l
o
c
k変 異 マ ウ ス で 発 現量 が低下する 1
0
0程
ていることは、非常に合理的であると考 えられる 。
度の遺伝子がスク リーニ ングされ、 CLO
CKが、肝
最近になって、 肝臓や脂肪組織を中心と した脂質代
臓において多様な役割を担っている 可能性が示され
謝と体内 ￨
時計の関連性についての研究が相 次いで、発
た。 ちょうどその頃、肝臓における日周発現遺伝子
表される ように な
り、「
体内 H
寺言￨→脂質代謝」とし寸制御
を網羅的に解析した P
a
nd
aらの研究成果がCe
l誌に
機構の存在が次第に明らかとな ってき た1
.6.1.
1I:!.17 叩
。
lでは 、 C
l
ock変異マウス
発表された へ その論文仁!
こ
1
)
脂質代謝→体内時計」 と
との比較もなされており、発現量 がC
l
o
c
k変異に
偶然的な発見から、我々は、
:W
いったi
l
j
J
l
御機構が存在する可能性を見 出すこととな
よって影響を受ける遺伝子の中で、日周発現する遺
り、今後の新たな研究分野として発展して ゆくもの
伝子は、ほんの少数 (9造伝子 )であると報告され
と期待される 。
ていた 。 P
and
aらは、
αock変 異 に よ っ て 発 現 量 が
極端に減少する遺伝子を検索したのに対して、我々
は
、 C
l
o
c
k変異によって発現リズムが減衰する遺伝
1
. CLOCK
分子と脂質代謝
末相当時計の制御およびその生理的な役割に関心を
子を検索していたために 、よ り多くの遺伝子がスク
00
2年当時時間生
持って 研究 を行っていた我々は、 2
リーニン グでき たものと考え られる 。 C
l
o
c
k変異に
マイクロ
物学 の 分野で精力的に行われていた DNA
よって日周発現が影響を受ける遺伝子については、
I
寺計分子であ
アレイの手法を 用い ることによ って 、 J
k
a
ha
sh
iらのグル ー プからより詳細
最近 にな ってTa
り転写因子である CLO
CKの肝臓における役割を解
に報告されている 山。
明しようと 試みた山。肝臓などの末梢臓器において
図
k
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o.
j
p (干305-8566
1
1
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日l
生物学
C
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k変 異 マ ウ ス を 使 っ たDNA
マ イ クロア レイ
茨 城 県 つ く ば 市 山 小 1'
1
'
火
第6)
VoI
.1
4.No.
l (2008)
- 9-
解析によって、我々は、 CLOCK
分子が肝臓におい
においては、 肝臓における時計遺伝子の発現 位相が
て脂 質代謝に深く関わりがあるもの と考え、さらに
顕著 に前進していることじ気 がついた。 そ こで
、
検討を行 った。 その結果、 脂肪酸の合成や代謝に関
PPAR日のリガンドが体内 H
寺計を前進させるのでは
わるいくつかの遺伝子の発現が、 CJ
oc
k変異によ っ
ないかと考え、 PP
AR
α の リガ ン ドで高 脂血症 (
J
)
旨
て影響を受けていることが判明 した 。脂肪酸合成に
質代謝異常症)治療薬と して
J
'
l
=
J
し、られているフィブ
関わる遺伝子では、アセチ J
レCoAカルボキシラーゼ
ラー ト (
ベザフイブラー ト) をマウスに投与し、活
(
ACC)や ATPクエン酸 リアーゼ (
ACL)などの日周
動リズムの i
J
!
l
J
定を行 った。 その結果、驚くべき こと
発 現 が 111、脂肪酸代謝では、 α型ペルオキシソーム
に
、 ￨
明H
音環境下での飼育にもかかわら ず、 フイブ
増 勉 斉J
I活 性 化 受 容 体 (
pe
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二
ラート の投与によ って活動開始時刻は徐々に前進し 、
a
c
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c
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pt
o
r日:PPARa)遺 伝 子 の 日 周 発 現
約 2週間後には 3~ 4n
寺問の位相前進を 示 した 則
。
が 131 CJock変異によ って減衰していた 。
その 一方で、 フィブラー 卜は恒 H
音条件下での活動周
PP
ARa遺 伝 子ヒには、 CLOCK
/
BMALlの転 写
知]には l
f
r
;
響を与えないことから、 PPARaは、体内
結合配列とな るEbo
xが密に存在している領域があ
H
寺
言￨
の位相調節に関与しているものと 考 えている 。
り、ル シフエラ ーゼレポ ー ターア ッセイやゲル シフ
PPAR
α リガン ドによる体内時計の調節機構を 調
トア ッセイなどにより、 CLOCK
/
BMALlがPPARa
べる目的で、フィフラ ート に よ り活動位相が前進し
遺伝子の転写を直接制御してい る可能性を示した 1:
1
1。
たマウスの時音￨
遺伝子発現を調べた 。 ところが、 H
寺
実は 、PPARa遺伝子の 日周 発現は、当時既に報告
計中枢である視交叉上核 (
SCN)
での l
時計 遺 伝 子
されており へ 肝臓で、の mRNA
発現量 が血中のグル
Per2の日周発現には 全 く影響が見られなか った。
ココ ルチ コイド 濃度の日内リズムと相関してい るこ
その 一方で、
、大脳皮質や肝臓、脂肪組織な どの SCN
とや、培養細胞を用いた実験結 果から、グルココル
以外の組織においては、活動リ ズムと 一致して 、
チコイドによって日周発現が制 御されていると解釈
Per2辿伝子の日周発現も位相が前進 していること
されていた。 しかしながら、 PPARa遺伝子の日周
がわか った。 そこで、このフイ ブラート投与による
発現は、グル ココ ルチコイドの 主要な 産生臓器であ
活動位相の前進が、 制限給餌による活動リズムの制
る副腎を除去したマウスにおいても正常であり、 実
移
I
1
と同 様に SCNに依存 していない可能性 を考え 、早
際には H
寺計分子に よって直接転写調節されているも
稲田大学の柴田 重信先生にお願いして SCN
破壊の 実
のと考えられる 印
。 PPARa分子は、長鎖脂肪酸を
験を行 った。 その結果、 SCNを破壊した個体におい
内在性リガンドとする核内受容体であり、 RXRとヘ
ても、フイブラ ート 投与による活動位相の前進が確
テロダイマーを形成して標的遺 伝子プロモ ー タ-I
_
:
.
認され、フィブラートによる活動リズムの制御が、
のPPRE
配列 (PPARr
e
sp
o
n
see
l
eme
n
t)に結合し、
SCNに依存していない可能性が考えられた 。 フィブ
リガ ン ド依存的に転写を活性化する。 P
PARα は、肝
ラートの投与による活動位相の前進は、明日音条件下
臓や心臓 、骨格筋や血管内皮 などに発現しており、脂
にて観察 される現象であり、夜行性の謡歯類である
肪酸の輸送や代謝に関わる様々 な辿伝子の転写制御
マウスを使う ￨
浪りにおいては、光によるマス キング
に関わっている九 体内 H
寺計は、時 計分子によ って
の影響を~!正視す ることはできない 。 SCN は、光情報
PPARa遺伝子の日周発現を直接制御 する こ とで、
が直接反映される領域であり、光によ って発現が誘
脂肪酸代謝系全般の日 内変動を 制御し ているのかも
導される Pe
r
2遺伝子の発現がSCNにおいてフイブ
知れない 。
ラート投与の影響を 受 けなかったのは当然なのかも
ま
J
[れない。
2
. PPARα リガンドによる体内時計の制御山 01
CJock変異マウスでPPARa遺伝子の発現量 が低
ちょうど同時期に、柴田先生の研 究室から、
α'
ock
変異マウスを恒明条件下にて育仔する ことによ り
、
下 していたことか ら印、PPARa下流辿伝子発現へ
1
1
垂1
1
民相後退症候群 (
DSPS)に似た性質のマウスを作
のCJock変異の影響を調べる目的で、粉自!
l
Tに混和す
成で きるとの発表がなさ れた 加。 α
ock変異マウス
る形で PPARα の リ ガ ン ド(
Wy1
4
，
6
4
3)
投与実験を
では、 DSPSと同 様に、 休杭リズムに関しでも位相 の
行った 。期待に反し、リガンド投与に よる PPAR日
遅れがみられる 附。 DSPS
の詳細に閲し ては他著
1
.15.23)
下流遺伝子の発現誘導については、 CJock変異の影
に譲るが、フィブラ ートが活動位相を前進させ るこ
響がほ とんど認め られなか った。 しかしなが ら興￨
味
とか ら、活動位相が後退している DSPSの症状を改
深いことに、 P
PARα のリガンドを投与したマウス
善する可能性が考えられた 。 そ こで
、 DSPS
症状 を
H
寺I
/
¥
J生物学
-1
0-
VoI
.
l4
.No.l (2008
)
呈する CJ
o
c
k変異マウスにフイブラ ー卜を投与した
けている可能性を裏付けるものであり、 PPARα は
ところ、野生型マウスと全く同様に活動位相の前進
脂質代謝と体内時計とを結びつける鍵分子であると
規
が認められた 。 この結果は、 PPARα を介するおi
考えられる 。
な睡眠障害治療薬の可能性を示す成果として、新聞
やテレビ等で広く報道されることとなった 。 さらに
おわりに
この 実話会結果は、フイブラ ートによ るイ本内時計の制
自然界においては 、生物が高血糖状態で死に 至る
LOCKが必ずしも必要で、
御においては、時計分子 C
可能性は非常に低い。逆に、飢餓による持続的な低
はない可能性を示しており、今後分子機構を解明し
血糖状態では、ブドウ糖にエネルギー源を依存する
てゆく上で重要な知見であると考えている 。
中枢神経系が機能不全となり、意識消失を引き起こ
その後、フイブラートによる活動位相の前進が光
して死に 至る 可能性が考えられる 。 この危険性を回
:
6の長日周期においては、
周期依存的であり、 LDl8
血松守備を下げるホル
避するためのシステムとして、 I
寺刻が 7~ 8
1
時間も前進するのに対して、
活動開始 H
モンがインスリンのみであるのに対し、血糖値を上
LD8:1
6の短日周期では、活動開始時刻の前進が起
昇させる内分泌系が優位に発達してきたものと考え
こらないことがわかった へ 理由に ついては現段階
られている 。 メタボリ ツクシンドロ ームに代表され
が明fI音
では全く不明であるが、フイブラートの作月 j
るような過剰なエネルギー摂取に起因した疾患の発
環境でのみ観察されることから、光によるマスキン
症によって生命の危機に瀕 して いるのは 、地球上の
グとの複合的な影響が、活動リズムに反映されてい
生物の中で、ヒ トと、ヒトによ って飼い慣らされた
確かである 。
るのはf
一部のペットのみである 。野生動物においては、
LD8・1
6の短日周期においては 、活動開始 時刻の
「デザートは別腹」などといったエネルギーの過剰
前進は認められなかった 一方で、フィブラー卜の投
摂取はあり得ないことなのではないだろうか。 ヒト
音期後半の活動量が激減し 、通常の餌に
与直後 より H
においてさえ、エネルギーの過剰摂取による、脂質
戻すと同時に 、速やかに回復す ることがわかった 。
代謝異常症や動脈硬化、血栓症などの生活習慣病が
2
0
0
7年になって、絶食などの飢餓状態では、肝臓で
社会問題とな ったのは、ほんの数十年前からであり、
のPPARロの活性化を介して FGF21が発現誘導され
それも 、世界 の中で先進国に限られた 問題であ った
る こ と が 報 告 さ れへ ヘ パ リ ン 結 合 能 を 有 し な い
(
最近では、発展途上国における生活習慣病も深刻
FGF21は 、 速 や か に 脳 内 に 移 行 しへ 低 体 損 状 態
になりつつあるが)。 従って、生体システムは、栄
(
t
or
p
o
r)を 惹 起 す る こ と が 報 告 さ れ た 九 PPARa
養過多というほんの最近の環境変化に適応するため
のリガンド投与によっても FGF21依存的に低体温が
に進化してきたと考えるよりは、飢餓を克服するた
誘導され 、興味深い ことに、この低体温状態は、時
めに進化してきたと 考える方が正しいように思われ
刻依存的に暗期の後半に誘導されることが示され
る。 同様に、体内時計は、過剰な栄養摂取による肥
た九 我々も、徳島大学の勢井宏義先生にお願し、し
満の誘導というよりは、飢餓などの栄養不足に対す
て、フイブラート投与による 1音期後半の低体温状態
る適応機構において重要な役割を担 っているものと
を確認している(近久ら、論文投稿中 )。従って、
考えられる 。
音期後半の活動量の減少は、
フイブラート投与による H
本稿で述べたよ うに、 PPARα のリガンド投与は、
FGF21の発現誘導を介した低体温によるものだと考
飢餓状態と同様の影響を生体に及ぼし、 PPARα の
えられる 。 フイブラート投与による体内時計の前進
活性化によ る体内時計の 制御機構は、臨床的な観点
がFGF21を介するものかどうかについては、現在検
からの関心のみならず、体内時計の生理的役割や存
討を行っている 。
在意義 を￨
列らかにするヒで、も、非常に興味深い研究
.
2時間活動
最近になって、高脂肪食負荷によ って 0
テーマであると思われる 。
周期が延長することが報告された九 さらに興味深
浪によって、手Jt々カ fフイブ
いことに、カロリーjJj
J
il
ラー トを投与したときと 同様の 活動位相の前進が、
謝辞
私が生物時言￨の研究に携わることにな ったのが
音環境下において観察されることが報告さ
それも明 H
1
99
8年でありますから、研究を始めてちょうど 1
0年
れた九 これらの知見は、脂質代謝を中心としたエ
の節目に、この栄誉 ある賞を頂いたことになります。
寺計によって f
l
i
J
l
御されている
ネルギ一代謝が、体内 H
これまで受賞さ れた諸先輩方とは異なり、華々しい
のみならず、体内時言￨に対してフィードパ ック をか
成果とは 全く 無縁であった私が受賞することになっ
時間生物学
Vol
.
1
4.No.1 (2008)
たわけですが、 「
奨励賞」の主旨を私なりに重く受け
止め、今後時間生物学の分野に貢献してゆきたいと
考えております。
私はこれまで、生物時計に関するほとんどの研究
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を産業技術総合研究所の生物時計研究グループで
.McDearmon EL. Panda S
. Hayes
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行ってきましたが、研究所の内外を問わず、多くの
.Zhang ]
. Andrews JL e
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.
: Proc Natl
KR
方々からご指導ご鞭撞、ご支援いただくことによっ
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3
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て今まで研究を続けることができたものと確信いた
.Atsumi G
.Sugiyama S
. Kodomari.
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1
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しております。今回紹介した PPARα に関する研究
Kasamatsu M. Machida K e
ta
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.
: FEBS L
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では、筑波大学の大学院生として、汗と涙と涙を流
5
8
0・1
2
7
1
3
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20
0
6)
して実験に励んでいただいた白井秀徳氏に感謝して
. Miyazaki K
. Kadota K
. Kikuno R
.
1
2
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おります。 また、早稲田大学の柴田重信先生による
Nagase T.Atsumi G e
t al
.
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ご協力により、本研究の可能性が大きく拡がったも
2
7
8:
41
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1
5
2
7(
20
0
3)
のと深く感謝しております。体温や脳波などの生理
学的パ ラメーターの測 定では、徳島大学の勢井宏義
先生に大変お世話になりました 。最後になり ました
が、これまで 1
0年間、常に叱 H
宅激励下さりつつも、
個人的興味(趣味?)に向かつてしまう私の研究ス
J
'
i
'tiJ、く見守って下さった石田直理雄グルー
タイルを i
プ長に、心から感謝の意を表します。
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