時計遺伝子

　ほ乳類の生命現象において，多くの概日リズム（サーカディアンリズム）が認められる．ヒトでは，呼吸機能，血圧，体温の日内変動，コルチゾール，メラトニン分泌，睡眠・覚醒などが明確な概日リズムを示す代表的な生理現象であり，約24時間の周期性が認められる．時計遺伝子はこれらの重要な生理学的，行動学的，概日リズムを規定している．哺乳類における概日リズムの中枢は，視交叉上核 (suprachiasmatic nucleus: SCN) に存在することが明らかになっており，末梢組織のリズムを同調させている．さらに，時計遺伝子は SCN においてのみでなく，腎臓，肝臓，心臓，皮膚，口腔粘膜，末梢血単核球などの末梢組織においても同様の遺伝子群が発現・発振していることが明らかにされている．
　この周期的発現のメカニズムは，数種類の時計遺伝子と遺伝子産物によるネガティブフィードバック機構がその本体であり，中枢であるSCNにおいても末梢組織においても同様である．哺乳類の体内時計の振動体を構成する重要な遺伝子としてはClock, Bmal1, Period (Per1, Per2), Cryptochrome(Cry1, Cry2)などがある．分子生物学的メカニズムは概日時計（分子時計）と総称されることが多くなった．
　主要な機序として，BMAL1/CLOCKヘテロダイマーが，E-box (CACGTG) と呼ばれる DNA 上の特定の塩基配列に結合することにより転写促進因子として働き，Period，Vasopressin，Dbpなどの発現・転写を促進する．生じたPER1, PER2, CRY1, CRY2, CKIe, などの各タンパクの複合体が抑制因子として働き，転写促進因子であるBMAL1/CLOCKヘテロダイマーを抑制し，自らの転写活性を抑制する．この転写，翻訳の周期が約24時間であり，体内時計の概日リズムを規定する．
　中枢時計遺伝子の異常により，概日リズム睡眠障害を含めた睡眠・覚醒障害，ある種の精神障害が生じ，末梢時計遺伝子の障害は腫瘍産生，肥満，循環器疾患に関係すると報告されている．

　最近になり，薬物による新たな副作用の概念として時計遺伝子発現に対する直接的な影響が報告され，生体活動にも影響を及ぼすことが明らかにされた．さらに，生体リズムの乱れは各種疾患に関与している．概日リズム睡眠障害，精神疾患の発症，肥満，循環器疾患，骨代謝，腫瘍形成にも時計遺伝子の機能異常が関わることが明らかにされている．時計遺伝子の発現周期および薬物負荷後の変動モニタリングは，治療効果を高くし副作用を少なくするための薬物投与時間を決定するうえで重要である．

これまで哺乳類における概日リズムの分子生物学的メカニズムは，齧歯類で研究が行われている．一方，ヒトでの報告は少ない．ヒトと齧歯類とでは，もともと昼夜の行動パターンが逆であるため，臨床的にはヒトにおける時計遺伝子研究が求められる．現在，ヒト時計遺伝子に対する薬物の影響を生体内で直接調べた報告は，方法が確立していないためほとんどない．我々は末梢血液を用い，末梢時計遺伝子測定系の開発と解析をおこなっている．

閉塞性睡眠時無呼吸症候群は断続的低酸素状態や交感神経機能亢進を生じ，様々な疾患の原因となる重要な病気である．閉塞性睡眠時無呼吸症候群の，日中過眠症，気分障害および循環器疾患，動脈硬化，肥満などに時計遺伝子障害が関与している可能性があり検討している．
特に，閉塞性睡眠時無呼吸症候群は間歇的低酸素血症と交感神経機能亢進のシグナルで，多数の転写因子活性を増加させる．交感神経機能亢進による血漿ノルアドレナリン上昇のシグナルが，Period1 mRNA を誘導することを生体で初めて明らかにした．

さらに，間歇的低酸素刺激が，全身性炎症をひきおこすが，末梢時計遺伝子に影響を及ぼさないことを明らかにした（8）．

（本研究は九州大学大学院薬学研究院臨床薬学講座薬剤学分野の小柳先生，大戸先生との共同研究です）

 

文献

1. Takata M, Burioka N, Ohdo S, Takane H, Terazono H, Miyata M, Sako T, Suyama H, Fukuoka Y, Tomita K, Shimizu E. Daily expression of mRNAs for the mammalian clock genes Per2 and Clock in mouse suprachiasmatic nuclei and liver and human peripheral blood mononuclear cells. Jap J Pharmacology 90 (3): 263-269, 2002.

2. Burioka N, Takata M, Okano Y, Ohdo S, Fukuoka Y, Miyata M, Takane H, Endo M, Suyama H, Shimizu E. Dexamethasone influences human clock gene expression in bronchial epithelium and peripheral blood mononuclear cells in vitro Chronobiol Int 22(3): 585 - 590, 2005.

3. Takata M, Burioka N, Ohdo S, Fukuoka Y, Miyata M, Endo M, Suyama H, Shimizu E. b₂-adrenoceptor agonists induce the mammalian clock gene, hPer1, mRNA in cultured human bronchial epithelium cells in vitro. Chronobiol Int 22(3):777 ? 783, 2005.

4. Fukuoka Y, Burioka N, Takata M, Ohdo S, Miyata M, Endo M, Shimizu E. Glucocorticoid administration increases hPer1 mRNA levels in human peripheral blood mononuclear cells in vitro or in vivo. J Biol Rhythm 20(6): 550-553, 2005.

5. Burioka N, Fukuoka Y, Takata M, Endo M, Miyata M, Chikumi H, Tomita K, Kodani M, Touge H, Takeda K, Sumikawa T, Yamaguchi K, Ueda Y, Nakazaki H, Suyama H, Yamasaki A, Sano H, Shimizu E: Function of clock genes in disease: Influence of medication for bronchial asthma on circadian gene. J Pharmacol Sci 103(2):144-9, 2007.

6. Burioka N, Takata M, Endo M, Miyata M, Takeda K, Chikumi H, Tomita K, Fukuoka Y, Nakazaki H, Sano H, Shimizu E: Treatment with b₂-adrenoceptor agonist in vivo induces human clock gene, Per1, mRNA expression in peripheral blood. Chronobiol Int 24(1): 183?189, 2007 .

7. Burioka N, Koyanagi S, Takata M, Endo M, Fukuoka Y,Miyata M, Takeda K, Chikumi H, Ohdo S, Shimizu E: Clock gene dysfunction in patients with OSAS. Eur Respir J 32, 105-112, 2008.

8. Burioka N, Koyanagi S, Fukuoka Y, Okazaki F, Fujioka T, Kusunose N, Endo M, Suyama H, Chikumi H, Ohdo S, Shimizu E. Influence of intermittent hypoxia on the signal transduction pathways to inflammatory response and circadian clock regulation.
Life Sciences 85(9-10):372-8, 2009.