時間生物学
人間の概日リズム（「生物時計」）の概要（いくつかの生理学的パラメータを含む）

時間生物学は、太陽や月の周期的なリズムへの適応など、生物の周期的（周期的）現象を含む時間制御過程を研究する生物学の一分野です。 [ 1 ]これらの周期は生物リズムとして知られています。時間生物学は、古代ギリシャ語のχρόνος（chrónos、「時間」を意味する）と、生命の研究、あるいは科学に関連する生物学に由来しています。関連用語であるクロノミクスとクロノームは、時間生物学的現象に関与する分子メカニズム、または特に生物間の周期の比較が必要な場合における時間生物学のより定量的な側面を説明するために使用される場合があります。

時間生物学の研究には、比較解剖学、生理学、遺伝学、分子生物学、生物の行動と生物学的リズムなどが含まれますが、これらに限定されるものではありません。[ 1 ] その他の側面としては、エピジェネティクス、発達、生殖、生態学、進化などがあります。

主題

時間生物学は、生物における多くの重要な生物学的プロセスに伴って生じる、生物活動のタイミングと持続時間の変動を研究する学問です。これらは、動物（摂食、睡眠、交尾、冬眠、移動、細胞再生など）、植物（葉の運動、光合成反応など）、そして真菌や原生動物などの微生物において見られます。また、細菌、特にシアノバクテリア（藍藻類）にも見つかっています。時間生物学において最も研究されているリズムは概日リズムです。これは、これらすべての生物の生理学的プロセスによって示される、およそ24時間周期です。 「概日」という用語は、ラテン語の「 circa」（約）と「day」（約1日）に由来し、概日時計によって制御されています。

概日リズムは、活動期のタイミングを含む行動を制御します。生物は、その生来の活動期に応じて、以下の3つのカテゴリーに分類されます。[ 2 ]

  • 昼行性、日中に活動する生物を表す
  • 夜行性、夜に活動する生物を表す
  • 薄明薄暮性は、主に夜明けと夕暮れの時間帯に活動する動物を指します（例：飼い猫、[ 3 ]オジロジカ、一部のコウモリ）

概日リズムは内因性プロセスによって生成されますが、内因性シグナルと外因性シグナルの両方によって制御される可能性があります。他の生物学的周期は外因性シグナルによって制御される可能性があります。

他にも多くの重要なサイクルが研究されており、その中には次のようなものがあります。

  • 日周リズムとは、1日よりも長い周期のことです。例としては、多くの植物や動物の移動や繁殖周期を支配する概年周期や年周期、あるいは人間の月経周期などが挙げられます。
  • 超日周期は、90 分のREM 周期、4 時間の鼻周期、成長ホルモン産生の 3 時間周期など、24 時間より短い周期です。
  • 潮汐リズムは海洋生物でよく観察され、満潮から干潮まで、そしてまた満潮から干潮までを繰り返す約 12.4 時間の移行を伴います。
  • 月の周期（29.5日）に従う月のリズム。月の周期に応じて潮位が変動するため、例えば海洋生物にとって重要な役割を担っています。

各サイクルにおいて、このプロセスが最も活発な期間は頂点期と呼ばれます。[ 4 ] このプロセスがあまり活発でない期間は、サイクルは深底期または谷底期にあります。活動が最も活発な瞬間がピークまたは極大点であり、最も活動が低かった時点が底点です。

歴史

概日周期は、18世紀にフランスの科学者ジャン＝ジャック・ドルトゥー・ド・メランによって植物の葉の動きから初めて観察されました。[ 5 ] [ 6 ] 1751年、スウェーデンの植物学者で博物学者のカール・フォン・リンネは、特定の種類の顕花植物を使用して花時計を設計しました。彼は、選択した種を円形に配置することで、各時間に開花している花で時刻を示す時計を設計しました。たとえば、キク科の植物では、午前6時30分に花を咲かせるタカのひげ植物と、午前7時まで花を咲かせないホークビットを使用しました。 [ 7 ]

1960年にコールド・スプリング・ハーバー研究所で開催されたシンポジウムは、時間生物学の分野の基礎を築きました。[ 8 ]

1960 年には、パトリシア・デコーシーが位相応答曲線を発明しました。この曲線は、その後この分野で使用される主要なツールの 1 つです。

ミネソタ大学のフランツ・ハルバーグは、概日リズム（circadian ）という言葉を考案し、「アメリカの時間生物学の父」と広く考えられています。しかし、 1970年代に生物リズム研究協会の会長に選出されたのは、ハルバーグではなくコリン・ピッテンドリでした。ハルバーグは人間と医学の問題に重点を置くことを望み、ピッテンドリは進化と生態学のバックグラウンドを持っていました。ピッテンドリを会長として、協会のメンバーはあらゆる種類の生物、植物、動物に関する基礎研究を行いました。近年では、マウス、ラット、ヒト[ 9 ] [ 10 ]、ショウジョウバエ以外の生物を対象とした研究資金の調達が困難になっています。

網膜神経節細胞の役割

概日リズム光色素としてのメラノプシン

2002年、ハッタール博士らは、瞳孔対光反射や体内時計の明暗周期への同期など、さまざまな光反応においてメラノプシンが重要な役割を果たしていることを明らかにした。また、 ipRGCにおけるメラノプシンの役割についても説明した。ラットのメラノプシン遺伝子、メラノプシン特異的抗体、蛍光免疫細胞化学を用いて、研究チームは一部のRGCでメラノプシンが発現していると結論付けた。β-ガラクトシダーゼアッセイを用いて、研究チームはこれらのRGC軸索が視神経とともに眼から出て、哺乳類の主要な概日リズムペースメーカーである視交叉上核（SCN）に投射することを発見した。さらに、メラノプシンを含むRGCは本質的に光感受性であることも実証した。ハッターは、メラノプシンがRGCの小さなサブセットに含まれる光色素であり、これらの細胞の固有の光感受性に寄与し、光同調や瞳孔光反射などの非画像形成機能に関与していると結論付けました。[ 11 ]

メラノプシン細胞は桿体と錐体からの入力を中継する

哺乳類における光伝達とipRGC
光は眼に入り、網膜色素上皮（栗色）に当たります。これにより桿体細胞（灰色）と錐体細胞（青/赤）が興奮します。これらの細胞は双極細胞（ピンク色）とシナプスを形成し、双極細胞はipRGC（緑）とRGC（オレンジ色）を刺激します。RGCとipRGCはどちらも視神経を介して脳に情報を伝達します。さらに、光はメラノプシン光色素を介してipRGCを直接刺激することができます。ipRGCは視交叉上核に特異的に投射することで、生物が明暗周期に同調することを可能にします。

ハッター氏は、ipRGCの光感受性を担う光色素がメラノプシンであるという知見を基に、ipRGCが光同調において果たす正確な役割を研究し始めた。2008年、ハッター氏と研究チームは、マウスのメラノプシン遺伝子座にジフテリア毒素遺伝子を移植し、ipRGCを欠損した変異マウスを作成した。研究チームは、変異マウスが視覚目標を識別することにほとんど問題がない一方で、明暗周期への同調ができないことを発見した。これらの結果から、ハッター氏と研究チームは、ipRGCは画像形成には影響を与えないが、光同調などの画像形成以外の機能に大きく影響するという結論に至った。[ 11 ]

個別のipRGC

さらなる研究で、ipRGCは異なる脳核に投射して、非画像形成機能と画像形成機能の両方を制御していることが明らかになりました。[ 12 ]これらの脳領域には、ipRGCからの入力が概日リズムの光同調に不可欠なSCNと、 ipRGCからの入力が瞳孔対光反射を制御するオリーブ視床前核（OPN）が含まれます。[ 13 ] Hattarと同僚は、ipRGCが視床下部、視床、層、脳幹、および辺縁系の構造に投射することを実証する研究を行いました。[ 14 ] ipRGCは当初均一な集団であると考えられていましたが、さらなる研究で、異なる形態と生理機能を持ついくつかのサブタイプがあることが明らかになりました。[ 12 ] 2011年以来、Hattarの研究室[ 15 ]はこれらの発見に貢献し、ipRGCのサブタイプを区別することに成功しました。[ 13 ]

ipRGCの多様性

Hattarらは、CreをベースとしたipRGCの標識戦略を用いて、少なくとも5つのipRGCサブタイプが存在し、それらが複数の中枢標的に投射していることを明らかにした。[ 13 ]齧歯類では、これまでにM1からM5までの5つのipRGCクラスが特徴付けられている。これらのクラスは、形態、樹状突起の局在、メラノプシン含量、電気生理学的プロファイル、および投射形態が異なる。[ 12 ]

M1細胞の多様性

Hattarらは、ipRGCのサブタイプ間でも、概日リズムと瞳孔行動を異なる方法で制御する特定のセットが存在することを発見した。M1 ipRGCを用いた実験では、転写因子Brn3bがOPNを標的とするM1 ipRGCによって発現されるが、SCNを標的とするM1 ipRGCでは発現されないことを発見した。この知見を用いて、彼らはMelanopsin- CreマウスとBrn3b遺伝子座由来の毒素を条件付きで発現するマウスを交配する実験を設計した。これにより、M1 ipRGCを投射するOPNのみを選択的に除去することができ、瞳孔反射を消失させることができた。しかし、これによって概日リズムの光同調は損なわれなかった。これは、M1 ipRGCが異なる脳領域を神経支配し、特定の光誘導機能を実行する分子的に異なるサブポピュレーションで構成されていることを実証した。[ 13 ]非常に特異的なipRGCサブタイプにおいて、異なる分子特性と機能特性を持つ「標識線」を単離したことは、この分野における重要な最初の成果でした。また、分子シグネチャーを用いることで、一見同じに見えるRGC集団を区別できることを強調し、視覚処理におけるRGCの特異的な寄与に関するさらなる研究を促進しました。[ 13 ]

光への曝露による心理的影響

概日生物学におけるこれまでの研究では、異常な時間帯に光にさらされると睡眠不足や概日リズムの乱れにつながり、気分や認知機能に影響を与えることが明らかになっています。この間接的な関係は確認されていましたが、不規則な光への曝露、異常な気分、認知機能、正常な睡眠パターン、概日リズムの振動の間に直接的な関係があるかどうかを調べる研究はあまり行われていませんでした。2012年に発表された研究で、ハッター研究所は、異常な光周期が睡眠や概日リズムとは無関係に、マウスにおいてうつ病様症状を直接誘発し、学習障害につながることを示しました。[ 16 ]

気分への影響

ipRGCは、概日リズムと睡眠の調節に重要な脳領域、特にSCN、室傍核、腹外側視索前野に投射している。さらに、ipRGCは、感情や記憶に深く結びついている大脳辺縁系の多くの領域に情報を送信している。逸脱した光への曝露と行動の関係を調べるため、ハッタール博士らは、3.5時間の明期と暗期が交互に繰り返されるマウス（T7マウス）と、12時間の明期と暗期が交互に繰り返されるマウス（T24マウス）を比較した。T24周期と比較して、T7マウスの総睡眠時間は同じで、SCNペースメーカーの要素であるPER2の概日リズム発現は乱されていなかった。T7周期を通して、マウスは概日リズムのすべての段階で光に曝露されていた。夜間に照射された光パルスは、扁桃体、外側手綱、室傍核における転写因子c-Fosの発現を促し、光が気分やその他の認知機能に影響を及ぼす可能性があることを示唆している。 [ 17 ]

T7周期を与えられたマウスは、うつ病様症状を示し、ショ糖嗜好性の低下（ショ糖無快感症）と、強制水泳試験（FST）におけるT24マウスよりも不動状態が顕著であった。さらに、T7マウスは血清コルチコステロン値のリズムを維持していたものの、T24マウスと比較して高値を示しており、これはうつ病に関連する傾向である。抗うつ薬フルオキセチンの慢性投与は、T7マウスのコルチコステロン値を低下させ、概日リズムには影響を与えずにうつ病様行動を軽減した。[ 16 ]

学習への影響

海馬は、ipRGCからの投射を受ける大脳辺縁系の構造です。短期記憶を長期記憶に統合するだけでなく、空間の見当識やナビゲーションにも必要です。うつ病や血清コルチコステロン値の上昇は、海馬学習障害と関連しています。ハッター氏らは、T7マウスをモリス水迷路（MWM）で解析しました。MWMは、マウスを小さな水たまりに入れ、水面直下に位置する救助プラットフォームの位置を特定し、記憶する能力をテストする空間学習課題です。T24マウスと比較して、T7マウスはその後の試行でプラットフォームを見つけるのに時間がかかり、プラットフォームのある象限への選好を示さなかった。さらに、T7マウスはシータバースト刺激（TBS）を受けた際に海馬の長期増強（LTP）に障害を示しました。認識記憶にも影響があり、T7マウスは新規物体認識テストにおいて新規物体への選好を示さなかった。[ 18 ]

ipRGCの必要性

Opn4 aDTA/aDTAマウスを持たないマウスは異常な光周期の悪影響を受けにくく、これらの細胞を介して伝達される光情報は気分や学習や記憶などの認知機能の調節に重要な役割を果たしていることを示している。[ 19 ]

研究開発

光とメラトニン

最近では、アルフレッド・J・レウィー（オハイオ州立大学）、ジョセフィン・アーレント（英国サリー大学）らの研究者たちによって、動物とヒトの概日リズムをリセットする手段として、光療法とメラトニン投与が研究されています。さらに、夜間に低レベル光を照射すると、あらゆる年齢のハムスターの概日リズムの再同調が50%促進されることが報告されており、これは月光のシミュレーションに関連していると考えられています。[ 20 ]

20世紀後半には、ユルゲン・アショフやコリン・ピッテンドリグなどのヨーロッパ人によって大きな貢献と形式化がなされ、彼らは概日リズムの光同調現象について、それぞれ異なるが補完的な見解（パラメトリック、連続、トニック、漸進的対非パラメトリック、離散的、位相的、瞬間的[ 21 ]）を追求しました。

クロノタイプ

人間は朝型人間や夜型人間になる傾向があります。これらの行動の好みはクロノタイプと呼ばれ、さまざまな評価アンケートや生物学的マーカーの相関関係があります。[ 22 ]

食事の時間

食物同調性生物時計も存在し、これは視交叉上核に限定されない。この時計の位置については議論が続いている。しかし、マウスを用いた研究で、フラーらは食物同調性生物時計は視床下部背内側部に位置すると考えられると結論付けた。制限摂食下では、この時計が活動タイミングなどの機能の制御を担い、動物が食物資源を見つける可能性を高める。[ 23 ]

インターネット上の日周パターン

2018年にPLoS ONEに掲載された研究では、Twitterコンテンツで測定された73の心理測定指標が日周パターンに従っていることが示されました。 [ 24 ] 2021年にChronobiology Internationalに掲載されたフォローアップ研究では、これらのパターンは2020年の英国のロックダウンによって乱されなかったことが示されました。[ 25 ]

概日リズムの調節因子

2021年、科学者たちは、Ck1阻害を介して組織の概日リズムを光応答性で数日間持続的に調節する因子の開発を報告しました。このような調節因子は、時間生物学研究や「同期がずれた」臓器の修復に役立つ可能性があります。[ 26 ] [ 27 ]

その他の分野

時間生物学は学際的な研究分野であり、睡眠医学、内分泌学、老年医学、スポーツ医学、宇宙医学、精神医学、光周性など、医学分野やその他の研究分野と相互作用しています。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

参照

参考文献

  1. ^ a bパトリシア・J・デクーシー、ジェイ・C・ダンラップ、ジェニファー・J・ロロス（2003年）。『クロノバイオロジー』シナウアー・アソシエイツ社。ISBN 978-0-87893-149-1。
  2. ^ Nelson RJ. 2005. 『行動内分泌学入門』 Sinauer Associates, Inc.（マサチューセッツ州）587ページ。
  3. ^ネヴァ州メルチニク;プレヴォルニク・ポヴシェ、マヤ。シュコルヤンツ、デヤン。スコック、ジャンコ (2023-12-01)。「放し飼いのイエネコの時間生物学: 野生動物回廊における概日、月、および季節の活動リズム」。応用動物行動科学。269 106094.土井: 10.1016/j.applanim.2023.106094。ISSN 0168-1591。 
  4. ^ Refinetti, Roberto (2006).概日生理学. CRC Press/Taylor & Francis Group. ISBN 0-8493-2233-2一般 向け要約
  5. ^植物の概日リズムに関するデ・マイラン、リンネ、ダーウィンの記述については[1]を参照。2005年12月25日アーカイブ、Wayback Machineより
  6. ^ 「時間生物学の年表」生理学会. 2024年5月18日閲覧。
  7. ^ガーディナー、ブライアン・G. 「リンネ生誕300周年記念 ― リンネの生涯のいくつかの様相 ― 4. リンネの花時計*」(PDF)。リンネ協会。 2013年12月12日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2013年12月12日閲覧。
  8. ^レオン・クライツマン、ラッセル・G・フォスター（2004年）『生命のリズム：あらゆる生物の日常生活を支配する生物時計』ニューヘイブン、コネチカット州：イェール大学出版局、ISBN 0-300-10969-5。
  9. ^ Zivkovic, Bora (2006年7月3日). 「ClockTutorial #2a, ピッテンドリグの経験的一般化の45年間」 . A Blog Around the Clock . ScienceBlogs . 2007年12月23日閲覧。
  10. ^ Zivkovic, Bora (2006年5月17日). 「細菌の時計 V」 . A Blog Around the Clock . ScienceBlogs . 2007年12月23日閲覧。
  11. ^ a bダスティン・グラハム「メラノプシン神経節細胞：哺乳類の眼球における小さなハエ」 Webvision網膜と視覚系の組織化ユタ大学医学部。2011年4月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年4月9日閲覧。
  12. ^ a b cマティニア、アンナ（2013年9月3日）. 「視覚の境界を曖昧にする：本質的に光感受性の網膜神経節細胞の新たな機能」 . Journal of Experimental Neuroscience . 7 JEN.S11267: 43– 50. doi : 10.4137/JEN.S11267 . PMC 4089729. PMID 25157207 .  
  13. ^ a b c d e Dhande, OS; Huberman, AD (2013年11月19日). 「脳内の網膜神経節細胞マップ：視覚処理への示唆」. Current Opinion in Neurobiology . 24 (1): 133– 142. doi : 10.1016/j.conb.2013.08.006 . PMC 4086677. PMID 24492089 .  
  14. ^ Gaggioni G; Maquet P; Schmidt C; Dijk Dj; Vandealle G (2014年7月8日). 「神経画像、認知、光、概日リズム」 . Frontiers in Systems Neuroscience . 8 : 126. doi : 10.3389/fnsys.2014.00126 . PMC 4086398. PMID 25071478 .  
  15. ^ 「The Hattar Lab」ジョンズ・ホプキンス大学、2014年。 2016年12月27日閲覧。
  16. ^ a b Dulcis, Davide; Jamshidi, Pouya; Leutgeb, Stefan; Spitzer, Nicholas C. (2013年4月26日). 「成人の脳における神経伝達物質のスイッチングが行動を制御する」. Science . 340 ( 6131): 449– 453. Bibcode : 2013Sci...340..449D . doi : 10.1126/science.1234152 . PMID 23620046. S2CID 44911091 .  
  17. ^ Masana, MI (1996年12月). 「C3H/HeNマウスの視交叉上核と網膜における光誘導性c-fos mRNA発現」. Molecular Brain Research . 42 (2): 193– 201. doi : 10.1016/s0169-328x(96)00031-9 . PMID 9013774 . 
  18. ^ Sauer, Jonas-Frederic (2015年3月3日). 「うつ病の遺伝的マウスモデルにおける高速スパイク介在ニューロンの機能障害」 . eLife . 4 e04979 . doi : 10.7554/elife.04979 . PMC 4374525. PMID 25735038 .  
  19. ^ Monteggia, Lisa ; Kavalali, ET (2012). 「概日リズム：うつ病の解明」Nature . 491 (7425): 537– 538. Bibcode : 2012Natur.491..537M . doi : 10.1038/nature11752 . PMID 23151474 . S2CID 4391543 .  
  20. ^ Frank, DW; Evans, JA; Gorman, MR (2010). 「ハムスターの活動リズムの再同調とマスキングに対する夜間の薄暗い光の時間依存的影響」 . Journal of Biological Rhythms . 25 (2): 103– 112. doi : 10.1177/0748730409360890 . PMID 20348461. S2CID 41985077 .  
  21. ^この歴史記事を参照、購読が必要です
  22. ^ブレウス博士、マイケル（2016年）『いつの力』リトル・ブラウン・アンド・カンパニー、ISBN 978-0-316-39126-9。
  23. ^ Fuller, Patrick M.; Jun Lu; Clifford B. Saper (2008-05-23). 「光と食物による同調性概日リズムの差次的救済」 . Science . 320 ( 5879): 1074– 1077. Bibcode : 2008Sci...320.1074F . doi : 10.1126/science.11 ​​53277. PMC 3489954. PMID 18497298 .  
  24. ^ Dzogang, Fabon; Stafford Lightman; Nello Cristianini (2018-06-20). 「Twitterコンテンツにおける心理測定指標の日内変動」 . PLOS ONE . 13 (6) e0197002. Bibcode : 2018PLoSO..1397002D . doi : 10.1371/journal.pone.0197002 . PMC 6010242. PMID 29924814 .  
  25. ^ Wang, Sheng; Stafford Lightman; Nello Cristianini (2021-06-17). 「ロックダウンがTwitterにおける感情表現の日内パターンに及ぼす影響」 . Chronobiology International . 38 (11): 1591– 1610. doi : 10.1080/07420528.2021.1937198 . hdl : 1983 / d064a56f-5da0-4210-95dc-f575acdf3b68 . PMID 34134583. S2CID 235462661 .  
  26. ^ 「スイッチを切り替えて体内時計をリセットする」phys.org . 2021年6月14日閲覧。
  27. ^コラルスキー、ドゥシャン;ミロ・ヴィニャルス、カーラ。杉山亜紀子シュリヴァスタヴァ、アシュトシュ。小野大輔；永井佳子飯田、水井。伊丹健一郎；タマ、フィレンツェ。シマンスキー、ヴィクトール。広田 剛フェリンガ、ベン L. (2021-05-26)。「クロノフォト薬理学による概日時間の可逆的調節」。ネイチャーコミュニケーションズ。12 (1): 3164. Bibcode : 2021NatCo..12.3164K。土井：10.1038/s41467-021-23301-x。ISSN 2041-1723。PMC 8155176。PMID 34039965。   CC BY 4.0に基づいて利用可能です。
  28. ^ Postolache, Teodor T. (2005).スポーツ時間生物学, Clinics in Sports Medicine誌. Saunders. ISBN 978-1-4160-2769-0。
  29. ^アーネスト・ローレンス・ロッシ、デイヴィッド・ロイド (1992). 『生命過程における超日周期：時間生物学と精神生物学の基本原理の探究』 シュプリンガー・フェアラーク・ベルリン、ハイデルベルク GmbH & Co. K. ISBN 978-3-540-19746-1。
  30. ^ Hayes, DK (1990).時間生物学：臨床医学、一般生物学、農業におけるその役割. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-56802-5。

さらに読む

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