2014/9/6 国際高等研究所「老いを考える」研究会 • まとまりのない話で、すみませんでした。 • ショウジョウバエの研究データは、説明 できませんでしたが、一応、入れたまま にしてあります。 • オムロン社との共同研究の疫学データは、 未発表ですので、取扱いにご注意下さい 概日周期研究から考える 生物の時間の分子基盤 名古屋市立大学大学院薬学研究科 神経薬理学分野 粂 和彦 2014/ 9/ 5 2 自己紹介 専門１．分子生物学・神経科学（名古屋市立大学） 睡眠・覚醒制御と体内時計の分子機構 →（原始的な）意識に興味がある 専門１： 生物学 専門２．睡眠医療（くわみず病院＠熊本） 睡眠障害診療（ナルコレプシーなどの病気） インターネットを介した医療相談 分子生物学・神経科学 専門３．哲学・倫理学（元・熊本大学社文研） Bioethics 時代からNeuroethics まで 「心（意識）の哲学」←認知科学、心理学 アクティビストでもあるかも… 3 4 概日周期と睡眠制御 講談社現代新書 専門２： 医療 時間の分子生物学 ～時計と睡眠の遺伝子 睡眠医療認定医として 第35回講談社出版文化賞 第20回科学出版賞受賞 5 6 1 2014/9/6 睡眠障害の臨床 睡眠障害相談室 http://sleepclinic.jp/ 開設 2000年12月 総アクセス140万回 サイト経由の相談： 2000件以上受付 ちくま新書 眠りの悩み相談室 2007年 Google 検索 睡眠障害 23人の典型的な悩みを 持つ方を紹介 睡眠＋悩み 7 8 高齢者の睡眠障害 睡眠の疫学 9 9:00 世界の国の睡眠時間 10 社会生活基本調査（男, H18年） 8:45 8:30 8:15 8:00 7:45 7:30 7:15 7:00 OECD – Society at a Glance (2009) 11 12 2 2014/9/6 社会生活基本調査（女, H18年） 睡眠の疫学研究 13 非接触型 14 睡眠モニター Setting and Specification Radio frequency sensor 10.525GHz (original 5.8GHz) 64Hz sampling rate オムロン睡眠計 pillow Setting Area Top view 2012年5月発売 50cm – 100cm Bed HSL-101: 市販品 HSL-102m: 医療用 Side view Contactless sleep monitor <0.2 m 15 男女別の全睡眠時間の分布 年代別の就床時間 TST(min) 9 Frequency(%) 8 7 Male 6 Female 16 Bed 10's(40) Ave SD Male 358.7 74.9 Female 370.7 73.7 20's(369) 30's(867) 40's(1191) 5 50's(878) 4 60's(355) 3 70's(127) 2 80-(38) 1 0 180- 240300360420Total Sleep Time (min) 480- 22:00 54017 0:00 2:00 4:00 6:00 Time(HH:MM) 8:00 10:00 18 3 2014/9/6 曜日による睡眠時間のズレ 日本国内でも、地域差がある Monday(3451) Tuesday(3451) Wednesday(3440) Thursday(3408) Average Bed Time 23:30-24:00 Friday(3402) 24:00-24:30 Saturday(3423) 24:30-25:00 Sunday(3446) n.a. 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 Time(HH:MM) 2013/1/1-1/30 Total 1941 data 19 20 気温と睡眠効率 高齢者に戻って 夜間の外気温が15度を超えると、睡眠効率低下 21 22 睡眠時間の加齢による変化 年代別の就床時間 10's(40) 20's(369) 30's(867) 40's(1191) 50's(878) 60's(355) 70's(127) 80-(38) 22:00 神山「睡眠の生理と臨床」 Roffwarg, Muzio, Dement: Science 152 (1966) 23 0:00 2:00 4:00 6:00 Time(HH:MM) 8:00 10:00 24 4 2014/9/6 年代別 20.0 男性 18.0 25 睡眠薬処方率 （％） 高齢者の不眠は「必然」 女性 24:00 若い人 16.0 14.0 7:00 眠っている時間 12.0 10.0 8.0 22:00 24:00 5:00 6.0 高齢者 4.0 眠っている時間 2.0 0.0 0- 10- 20- 30- 40- 50- 60- 70- 入眠困難 中途覚醒 三島和夫先生（国立精神神経センター）による 26 睡眠短縮法１：入眠困難 22:00 24:00 早朝覚醒 睡眠短縮法２：中途覚醒 5:00 22:00 寝つきが悪いと 悩んでいる時間 24:00 5:00 目が覚めて眠れないと 悩んでいる時間 23:30 5:00 23:30 5:00 27 睡眠短縮法３：早朝覚醒 22:00 24:00 2:00 不眠症の認知の歪み 5:00 １．実際には、ある程度眠れているのに、眠れて いないと思う ２．睡眠が浅く・短いことが、悪いことだと思う ３．体調の悪さを、不眠のせいだと思う ４．辛いことが、眠れば解決すると思う ５．眠れないと思うと、焦ってしまって、ますま す眠れなくなる 朝早く目が覚めて 悩んでいる時間 23:30 28 5:00 29 30 5 2014/9/6 不眠症の問診・診療のコツ 不眠症の認知状態と行動変容の可能性 １．ラポールは、最重要 →眠れないことは、主観的にはとても辛い ２．睡眠そのものの質問は、最低限にする ３．日中の活動・気分をしっかり尋ねる。 ４．睡眠以外の治療目標を立てる →眠れることを、目的にはしない ５．睡眠記録をつける ６．あまりにも主観評価が悪い場合は、 客観的な検査を行う いつ病気になるかわからない 将来が不安だ 不安が続いて、夜、眠れない 昨日は全く眠れなかった 眠れなくて、身体がきつい 動く気にならない 夜、眠れないと思うと、 不安になる どんな病気になるのか？ その病気の対処法は？ 不安内容の 具体化・具象化 将来、何がしたいのか？ 方向転換 なぜ夜は不安になるか？ 生物学的理解 知識の付与 本当に眠れていないのか？ （アクチグラフなどで検査） 現状誤認の 是正 眠れないことで不調なのか？ 認知の是非 本当に動いてみたのか？ 激励 夜眠ることが目的なのか？ 思考の転換 31 32 熊本大学生命倫理研究会 論文集の執筆・編集 専門３：哲学・倫理学 生命という価値 ～その本質を問う 生命倫理・心の哲学 ニューロエシックス ニューロエシックスの 日本への導入 33 34 私の哲学・倫理学的な立場 • • • • • • • • 倫理の実践？ 基本的に一元論者Non-Cartesian プラトンよりアリストテレス 統合された自己を想定しない エコロジカルな自己を想定：河野哲也 パーソン論は嫌い：日本型の倫理は必要 正義より、ケアの倫理学 立岩真也学派？ まあ、功利主義は否定しませんが… 医療事故被害者の支援活動 難病患者会の支援（慢性疲労症候群） 当事者主権・当事者研究 大熊由紀子さんとの親交 「寝たきり老人のいる国・いない国」 • フェミニスト（名誉女性 by 上野千鶴子） • • • • • 福島の放射線被ばく問題 35 36 6 2014/9/6 脳神経倫理学 「老い」についての倫理問題 ニューロエシックス （2002年にできた学問分野） • 緩和ケア • 安楽死・尊厳死 →「自己決定」至上主義の問題 （心は体を殺す権利があるのか？） 世界で最初の教科書 （21人の専門家＝哲学、 倫理学、法律家、社会学、 教育学、神経科学、医学、 などが執筆） • 治療についての判断同意能力 →特に認知症：衰退する自己 文学部・高橋教授と共同監訳 37 38 心の哲学：河野哲也・立教大学 余談 心はからだの外にある ～エコロジカルな私の哲学 功利主義・自己決定主義を超えて 環境に広がる心 ～生態学的哲学の展望 パーソン論（シンガー）は嫌い 善悪は実在するか： アフォーダンスの倫理学 （講談社メチエ） 39 相手が１人では、道は限られる かける言葉もない・・・ 私は、余命６ヶ月 将来に、希望もない やりたいこともない 家族も友人もいない 早く死にたい！ 私は、余命６ヶ月 将来に、希望もない やりたいこともない 家族も友人もいない 早く死にたい！ 41 42 7 2014/9/6 相手が複数と思えば・・・ 別のコミュニケーションが開ける 痛いのは嫌！ 私は空腹だ！ 淋しい！ 早く死にたい お風呂は 気持ちよい 43 44 相手も自分の「心」の一部である ここから、生物学 生きて欲しい！ 45 46 Newton 2004年7月号 アウトライン 1. 生物にとっての時間とは？ 2. リズムを刻む：概日周期生物時計 3. 止まる時間：睡眠、冬眠、休眠 4. ショウジョウバエの睡眠…哺乳類との類似性 5. ゾウの時間・ネズミの時間 6. 寿命と老化を考える 47 時計博物館（松本市） 48 8 2014/9/6 アウトライン １．生物にとっての時間の意味とは？ 1. 生物にとっての時間とは？ 2. リズムを刻む：概日周期生物時計 • 長さの計測： タイマー 3. 止まる時間：睡眠、冬眠、休眠 • 順序の決定： プログラム 4. ショウジョウバエの睡眠…哺乳類との類似性 • 同時性判定： ラッチ回路 5. ゾウの時間・ネズミの時間 • 時刻の情報： 時計 6. 寿命と老化を考える • 季節の情報： カレンダー 49 １．生物にとっての時間の意味とは？ 50 生物時間（タイマー１:長いもの） • 腹時計が鳴るのは、4-5時間 • 長さの計測： タイマー • 海の干満周期は、 12時間 • 順序の決定： プログラム • １日の周期は 24時間 • 同時性判定： ラッチ回路 • 学校のお休みは１週間に１回 • 月の満ち欠けと、女性の周期は１ヶ月 • 時刻の情報： 時計 • 季節のめぐりは、１年365日 • 季節の情報： カレンダー • 「素数ゼミ」は、13年,17年を数える • 寿命は、30分～数千年? 51 生物時間（タイマー２:短いもの） 52 心臓の鼓動が１秒に一回になる仕組み • 腹時計が鳴るのは、4-5時間 • 食後血糖値が上がるまで、１時間 • 呼吸・あくびは、５秒間隔 • 心臓の鼓動は、１秒間隔 • まばたきは、100 - 150ミリ秒 • ボルト選手の反応は、110ミリ秒 • 脳波の速波（β波）は、50ミリ秒間隔 • チャンネルの開口時間は、数ミリ秒 53 54 9 2014/9/6 一定の積算入力と、域値を持つ反応 懐かしの水のみ鳥 ポジティブフィードバック による、オーバーシュート 心臓細胞の 膜電位 域値 徐々に上昇 時間 王様のアイデア 55 １．生物にとっての時間の意味とは？ 56 カエルの発生は温度で速度が変わる • 長さの計測： タイマー • 順序の決定： プログラム • 同時性判定： ラッチ回路 • 時刻の情報： 時計 • 季節の情報： カレンダー 57 生物時間のプログラム http://www.evgschool.org/ 58 プログラム • 順序が重要 • 環境によって変化 →相対的な時間軸の必要性 • 同時性（シンクロ）も重要 尻尾は、前足が生えるのと同じ頃、 無くならないといけない ↓ シンクロナイゼーションが必要 59 60 10 2014/9/6 １．生物にとっての時間の意味とは？ 同時に入力があった時のみ、Ｃが反応 • 長さの計測： タイマー A • 順序の決定： プログラム C • 同時性判定： ラッチ回路 • 時刻の情報： 時計 Ａ B • 季節の情報： カレンダー Ｂ 時間 61 同時性判定 62 １．生物にとっての時間の意味とは？ • 時間差の測定 • 神経系で多用される • 論理判定回路が作れる • 長さの計測： タイマー • 順序の決定： プログラム • 同時性判定： ラッチ回路 • 時刻の情報： 時計 • 季節の情報： カレンダー 63 アウトライン 64 概日周期(サーカディアンリズム)とは マウス（夜行性）の運動リズム 1. 約２４時間周期の時計 LD サーカ = 約 ディアン = 1日＝24時間 1. 生物にとっての時間とは？ 2. リズムを刻む：概日周期生物時計 2. 外部から調節可能 光などにより、進み遅れを 修正することができる 3. 止まる時間：睡眠、冬眠、休眠 4. ショウジョウバエの睡眠…哺乳類との類似性 3. 自律して動く 外部の環境が一定でも、 DD 時を刻み続けることができる 5. ゾウの時間・ネズミの時間 6. 寿命と老化を考える 4. 温度（体温）変化に抵抗性 体温が変わっても同じ周期を 保ち続ける 65 FRP = 23.8 h FRP = 22.5 h 66 11 2014/9/6 生物時計(概日周期)の必要性 概日周期生物時計とは 身体のリズムを刻む「24時間周期の時計」 １．時刻を知る：今、やるべきこと ２．季節を知る：この季節にやるべきこと （日照時間を測ることによる） ３．方角を知る：渡り鳥の「羅針盤」 （時刻と太陽の方向から、方角を計算） 津和野の資料館の 大正時代の時計67 １．生物にとっての時間の意味とは？ 68 間脳視床下部・視交叉上核 SCN • 長さの計測： タイマー • 順序の決定： プログラム • 同時性判定： ラッチ回路 • 時刻の情報： 時計 • 季節の情報： カレンダー 視交叉の上にある視交叉上核 （SCN: suprachiasmatic nucleus） RHT: retinohypothalamic tract 網膜から直接入力 69 70 生物時計の構成 生物時計の時計の針 • 時計の針はピリオド蛋白の量！？ ピリオド蛋白量 個体の活動はＳＣＮに 制御される 朝 ＳＣＮ全体が統一した 概日周期を示す 昼 夕 夜 朝 ＳＣＮの個々の神経細胞も 概日周期を示す 71 72 12 2014/9/6 ネガティブフィードバックによる発振機構 Xの遺伝子 多い 転写 哺乳類クリプトクローム遺伝子の 概日周期制御機能を発見 哺乳類BMAL1遺伝子の 逆位相振動を発見 (Kume et al. Cell, 1999) (Shearmann et al. Science, 2000) AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA XのmRNA mRNAの量 AAAA AAAA ④ 転写の抑制 ③ AAAA AAAA AAAA 翻訳 Xの蛋白質 ⑥ 蛋白質の量 AAAA AAAA ② AAAA ① ０ ⑤ ⑦ ⑥ ０時 24時 時間 遺伝子Ｘの蛋白質が、自分自身の転写を抑制するという性質を 持つだけで、周期的な増減を作り出すことができる。 73 概日周期発振機構の詳細 光 体中にある体内時計 • 体内時計を刻む仕組みは、個々の細胞レベルに存 在 • ↓ • ２４時間の振動は、細胞レベルでは止まらず続い ている • ↓ • 臓器レベルでシンクロナイズする • ↓ • 視交叉上核の中枢に同調する（液性、神経性） • 各臓器に特有の同調因子もある（例：胃では、食 事） CRY TIM TIM PER E-box TIM PER + mPER TIM mPER E-box CLK CYC E-box mCRY mCRY + PER mCRY CLOCK mPER BMAL PER E-box ショウジョウバエ 74 mCRY mPER 哺乳類 75 76 転写も翻訳も不要な24時間周期の発見 ネガティブフィードバックループは、普遍的？ 明期 暗期 転写翻訳のネガティブフィードバックモデル KaiA KaiB 時計遺伝子 転写翻訳 時計タンパク質 ADP ATP シアノバクテリア kaiBC KaiC アカパンカビ frequency FRQ ショウジョウバエ period 転写抑制 P PER KaiC 細胞内の蓄積量 KaiC P P 最小のタイミングループ 24 時間 （翻訳後レベル） Pi kaiBCプロモーター J. Tomita et al. (2005) Science 307, 251 mRNA タンパク質 転写翻訳 フィードバック振動 ゲノムワイドな 時間 概日遺伝子発現 77 光 基本転写機構 （ゲノム DNA の高次構造？） 78 13 2014/9/6 転写翻訳がなくても、リン酸化リズム継続 それが、試験管内でも、再構成できた！ 79 冨田らの発見のインパクト M. Nakajima et al. (2005) Science 308, 414 80 アウトライン 1. 生物にとっての時間とは？ After Tomita et al. (Science 2005) 生物時計には、細胞が不要になった。 試験管内のタンパク質だけで、24時間の 温度補償される振動が作り出せる。 ↓ 哲学的な問いかけ： 試験管内で、周期的変動が起きるなら、 「生物時計・生命現象」と呼べるのか？ （ＢＺ反応などと同じではないか？） 2. リズムを刻む：概日周期生物時計 3. 止まる時間：睡眠、冬眠、休眠 4. ショウジョウバエの睡眠…哺乳類との類似性 5. ゾウの時間・ネズミの時間 6. 寿命と老化を考える 81 ３．止まる時間： 睡眠、冬眠、休眠 82 眠る脳と、眠らせる脳 大脳皮質＝眠る脳 眠らせる 脳幹＝眠らせる脳 ＝眠らない脳 睡眠は脳の「機能」である 83 84 14 2014/9/6 イルカは、脳の半分ずつが、眠る 覚醒・ノンレム・レム睡眠時に働く場所 覚醒 ノンレム レム 覚醒/ノン レム神経 睡眠は、脳が「作り出している」状態 ノンレム/ レム神経 レム神経 レムオフ 神経 85 冬眠・麻酔は 「睡眠」ではない！ 86 乾燥休眠 ＝ 究極の冬眠？ １．熊は、眠るために冬眠から「起きる」 ２．麻酔からさめると、眠くてしかたない 冬眠中も時々 目を覚まし、 体温を上げて 約１日寝ます く ま モ ン クマムシ 冬眠中の熊 ユスリカ 87 88 乾燥休眠状態は、生きているのか？ ユスリカ と 乾燥休眠状態は、完全な乾燥ではない ↓ 水のトレハロース置換後のガラス化状態 ＝ガラスは個体ではなく、 粘度の極端に高い液体である ↓ つまり、一定の流動性は保たれている ＝極限状態の生物 蚊 成虫の寿命：１日 種によっては30分！ 幼虫：乾燥すると、 無代謝状態で休眠 何年でも生きる http://medaka-ikimono.seesaa.net/ 89 90 15 2014/9/6 アウトライン ４．ショウジョウバエの睡眠研究 1. 生物にとっての時間とは？ 概日周期 生物時計 1.概日周期からの アウトプットとして、 睡眠が、最も重要 2. リズムを刻む：概日周期生物時計 3. 止まる時間：睡眠、冬眠、休眠 4. ショウジョウバエの睡眠…哺乳類との類似性 睡眠覚醒状態 （眠気の制御） 恒常性維持 （睡眠負債） 2.概日周期生物時計中枢の 詳細がわかっている 5. ゾウの時間・ネズミの時間 6. 寿命と老化を考える 3.強力な遺伝学が使える 脳 4.睡眠類似の行動がある 91 Fruit flies, Drosophila melanogaster 視葉 92 ショウジョウバエの利点１ ＜マウスなどの高等な系に比べて＞ • 多数扱え効率が良い。早い。安い。 • 遺伝子機能を調べる道具を、他の種から 容易に導入できる • 多種の操作遺伝子を同時に持たせられる • １細胞変化を、個体レベルでも観察 → in vitro 技術のin vivo への応用 Tiny Short generation (10 days) Great genetics Numerous behavior studies 93 ショウジョウバエの利点２ 94 睡眠についての基礎的な疑問 ＜培養細胞など、より単純な系に比べて＞ • 個体でなければ見られない機能 高次機能：行動（学習、社会性活動）、 睡眠、寿命、… 複数の細胞種：ニューロン・グリア連関 複数の臓器： 脳腸連関 1. なぜ、眠るのか？ Why do we sleep? →生存のため必須、有利（エネルギー節約） →中枢神経系の機能維持 →神経可塑性の維持（学習・記憶） 2. どのように、眠るか？ How do we sleep? →中枢神経系の活動の低下 →外部から中枢への入力を制限 95 96 16 2014/9/6 Behavioral property of sleep 睡眠の行動学的特徴 赤外線モニター活動計測器 1. Regulation by circadian rhythm 概日周期の制御（決まった時間帯に眠る） 6.5 cm 2. Regulation by homeostasis (sleep debt) 恒常性維持機構の存在（＝睡眠負債の存在） 3. Increased arousal threshold 覚醒域値の上昇（＝外部刺激反応性の低下） ショウジョウバエにも、睡眠様の行動がある → 97 98 ショウジョウバエの睡眠計測 ショウジョウバエの睡眠の定義 覚醒 睡眠 覚醒 睡眠 Activity count 赤外線ビーム 長さ 65mm Data 取得 = 1 秒～１時間単位 太さ 3mm エサ 綿栓 赤外線計測器 32 匹 / 台 ｘ 120 → 3840 匹同時観察 sleep = immobile period > 5 min time ５分以上の不動状態を睡眠と定義 count 99 fumin(不眠) 変異の発見 + fumin 野生型 100 ドーパミントランスポーター遺伝子変異 wild type exon 6 intron 6 (63bp ) exon 7 genome GTA TAC AA G TAG GTT cDNA GTA TAC AA G GAT GC - - - - - - - - - - - - AG G GAT GC - - - 変異体 30 protein - - V 0 341 DD counts / 5min LD Y K 342 343 D --344 partial roo transposon (~ 0.4Kb) fumin 0 12 0 12 Time ZT (CT) 0 0 12 0 12 genome exon 6 43 bp GTA TAC AA G TAG GTT cDNA GTA TAC AA G TAG GTT exon 7 - - - - - - - - - AG GGA TG・・・ ~ 400bp 0 Time ZT (CT) 101 protein - - V Y K 341 342 343 Stop - - - - - - - AAAA Poly A 102 17 2014/9/6 ドーパミントランスポーターの機能 ショジョウバエの睡眠研究の展開 ドーパミンなど、分子レベルの相似性も発見され、 ショウジョウバエの「睡眠」と呼ばれるようになる →モノアミンの生理機能・神経回路などに注目 Presynaptic DA-neuron Postsynaptic neuron DA DA-R DA DAT fumin 他グループの結果など →睡眠は、ショウジョウバエの生存に必須 睡眠は、学習・記憶形成に重要 fumin 変異は学習にも障害 睡眠と摂食・代謝との関連 睡眠は、シナプス形態の修復に必須 覚醒物質 (cocaine, amphetamine) 103 Kume et al, J. Neurosci. (2005) 104 多面的アプローチ 1.分子遺伝学解析 2.回路解析 単一神経細胞の 個体レベルの機能解析 100 網羅的 遺伝子 発現解析 3.行動解析＋数理モデル 1 0.1 4.寿命・栄養・代謝 生存曲線 不眠変異 野生型 10 生存率 1 野生型 一次元行動解析 二次元行動解析 0.1 1 10 100 不眠変異 通常栄養 10% Sucrose, Yeast extract 0.8 生存率 高栄養 1 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 寿命と睡眠と代謝の関係 days days 睡眠と代謝・寿命の新たな関係 活動時間 睡眠時間 候補遺伝子群の機能解析 5.電気生理解析 コントロール 遺伝子X-KD 睡眠の生理機能 記憶・学習との関連 新規睡眠関連遺伝子の同定 睡眠の生理機能の解析 α=1.52 哺乳類との相関 ヒトでの疾患解析 メタボリック症候群の 新規動物モデル 哺乳類脳波との類似性 制御機構の神経基盤 睡眠の生理的意義の解明と、睡眠覚醒制御の普遍的モデル 105 106 Dr. Masako Yamazaki 25OC 寿命 100 % Survival 75 50 25 0 0 107 1 w (♂) 2 3 4 5 Weeks w;fmn (♂) 6 w (♀) 7 8 9 w;fmn (♀) 108 18 2014/9/6 100 w, 20 oC 75 % Survival % Survival 100 50 25 50 control (w) male fumin male 25 0 16000 16000 9 12000 12000 yw, 30 oC 8000 8000 4000 4000 0 0 1 2 3 4 Weeks 100 yw, 20 75 50 7 8 0 50 25 0 0 0 4 7 10 1316 1922 303336 3942 2952 5659 62 4 7 10 13 16 19 22 30 33 36 39 42 29 52 56 59 62 days 0 Weeks 6 75 25 yw (♂) 5 Weeks 100 oC % Survival % Survival 加齢による活動量の変化 w, 30 oC 75 yw;fmn (♂) 1 2 3 4 yw (♀) 5 Weeks 6 7 8 days 9 109 yw;fmn (♀) 110 飢餓状態での寿命 (水のみ) p<0.05 p<0.05 80 0.5% Agarose エサを変えてみることに… hours 60 (n=20) * * 40 20 0 male Survivorship(%) 1 10% SY 0.8 0.8 male female fumin 112 Diet and activity change (control) 16000 16000 10% SY 12000 12000 0.6 0.6 0.4 0.4 8000 8000 0.2 0.2 4000 4000 1.0% SY 0 0 2 9 15 22 1 28 35 days 41 47 53 3 9 16 22 28 1 0.8 Survivorship(%) Best condition 1.0% SY 1 female control 111 35 41 48 0 54 3 days 0.5% SY 0.4 0.2 0.2 3 9 16 22 28 35 41 days male 48 54 control fumin 26 33 39 45 50 0 55 3 3 female 9 9 15 23 29 35 45 52 16000 0.5% SY 12000 0 0 21 0.3% SY 0.6 0.4 15 16000 0.8 0.6 9 0.3% SY 12000 8000 8000 4000 4000 16 22 28 35 41 48 54 control fumin 0 days 3 113 9 15 21 26 33 39 45 50 55 0 3 mean value 9 15 21 26 33 39 45 50 55 114 19 2014/9/6 Sleep property change with ageing (control) Diet and activity change (fumin) 16000 3days 16000 10% SY 1.0% SY 12000 12000 8000 8000 27.8 4000 29.9 26.9 42.5 51.1 49.5 4000 0 3 9 15 23 29 35 41 48 0.5% SY 0 55 16000 3 9 15 21 26 33 39 45 50 55 1.0% SY active 5 - 30min 10% SY 30 - 60min 120min≦ 60-120min 16000 0.5% SY 12000 12000 8000 8000 4000 4000 0 3 9 15 21 26 33 39 45 50 18days 0.3% SY 17.7 29.9 42.7 30.9 29 37 0 55 3 9 15 21 26 33 39 45 50 mean value 55 115 116 0.5% SY Sleep property change with ageing (fumin) 3days 1.0% SY 10% SY TH inhibitor prolonged longevity control male fumin male 18.5 17.5 21.1 73.1 65.5 10%SY 75.7 + 3mM 3-IY + 10mM 3-IY 1 + 3mM 3-IY 10%SY + 10mM 3-IY 1 prolongation（＋） 0.5% SY active 1.0% SY 5 - 30min 30 - 60min 60-120min 120min≦ 18days 7.4 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 17.5 15 0.8 10% SY 0 4 7 10 13 17 20 23 26 29 32 35 38 days 78.1 0.5% SY 77.3 1.0% SY 90.6 10% SY 4 7 10 13 17 20 23 days 26 29 32 35 38 (n=25) 117 118 活動・休息（睡眠）の時系列解析 睡眠の時系列解析 上野太郎君 119 東大・数理 増田直紀さん 120 20 2014/9/6 Video monitoring of 2D movements Temporal organization of active and rest (inactive) periods in Drosophila melanogaster 活動と休止の時間系列解析 121 122 秒単位の動きの定量化とデータ処理 Image analysis and movement quantitation 実データ A, A, R, R, R, A, R, A, R, A, A, R, R, R, A, R, R ・・・ 積算データ A= 2, 1, 1, 2, 1 R= 3, 1, 1, 3, 2 累積出現割合 (x秒≦の割合） 1 A= 1, 1, 1, 2, 2 R= 1, 1, 2, 3, 3 0.8 0.6 0.4 0.2 0 123 二つの分布 指数分布・正規分布 1 2 3 4 5 (秒） 124 哺乳類での先行研究 （サイコロを降った場合） ＝＞ 指数関数的な確率密度関数 Exponential ＝＞ 片対数で直線、両対数では曲線 べき乗分布＝ある規則に従う分布 ＝＞ フラクタル構造, Levy flight model ＝＞ べき乗則に従う確率密度関数 power law ＝＞ 片対数で曲線、両対数では直線 125 126 21 2014/9/6 休止 活動時間の分布 活動 片対数グラフ 人間 哺乳類でも、 活動時間＝対数分布 両対数グラフ Log-log plot 休止時間＝べき乗分布 両対数グラフ 青： control 赤： fumin 150 1 マウス 1 50 100 10 100 1000 127 128 休止時間の分布 片対数グラフ 普通のハエ 両対数グラフ Active 青： control 1 500 両対数グラフ 赤： fumin 1000 1 Rest 10 100 α=1.52 1000 129 不眠のハエの場合 Active 130 不眠のハエでも、活動時間は変わらない Rest 両対数グラフ α=1.82 青： control 131 赤： fumin 132 22 2014/9/6 不眠のハエは、休む時間が短縮 ドパミンを強めても、活動時間は不変 blue : WT α=1.53 red : fmn α=1.91 blue : 22℃ red : 29℃ Rest (TH-GAL4; UAS-TrpA1) 133 ドパミンは 休息時間を短縮 134 概日周期は、傾きは変化させない blue : 22℃ α=1.59 red : 29℃ α=2.72 青：昼 :赤：夜 135 ハエの睡眠研究から… 136 アウトライン • 寿命が最長になるための最適の栄養量が ありそう。 • 多くても少なくても、寿命短縮 • どちらの方向でも、睡眠も短縮 • 活動量・代謝量はドーパミンが制御 • 活動時間と休息時間は、別の形の制御で、 そのパターンは哺乳類と似ている • ドーパミンは、休息時間を短くする 137 1. 生物にとっての時間とは？ 2. リズムを刻む：概日周期生物時計 3. 止まる時間：睡眠、冬眠、休眠 4. ショウジョウバエの睡眠…哺乳類との類似性 5. ゾウの時間・ネズミの時間 6. 寿命と老化を考える 138 23 2014/9/6 ５．ゾウの時間、ネズミの時間 代謝量と体重の相関 E = 4.1W 0.75 本川達雄先生 139 心拍数、代謝量、寿命… 140 例外の出現 大きく異なる 哺乳類は一生で、心拍数20億回？ • ヒトの寿命は長すぎ ゾウ： 体重 6000kg 脈拍20回ｘ60ｘ24ｘ365ｘ190年 ネズミ： 体重 20g 脈拍600回ｘ60ｘ24ｘ365ｘ7年 小サイズの動物は、体重当たり代謝量が大きい ↓ 絶食に弱い、食べ続けないと、すぐ死んでしまう ↓ • ハダカデバネズミ(naked mole rat) →30年以上、生きる。 癌にとてもなりにくい（ヒトも同じ） 体温が低目。社会性をもつ。 活動の休止時間は短い 141 ハダカデバネズミ 142 アウトライン 1. 生物にとっての時間とは？ 2. リズムを刻む：概日周期生物時計 3. 止まる時間：睡眠、冬眠、休眠 4. ショウジョウバエの睡眠…哺乳類との類似性 5. ゾウの時間・ネズミの時間 6. 寿命と老化を考える 143 144 24 2014/9/6 寿命を規定する因子は単一ではない • 寿命＝個体(多細胞生物)レベルの概念 • ただし、単細胞レベルでも、寿命は存在 →テロメアによる分裂回数制限 • 不死化細胞(HeLa, ES/iPS)の存在 • 単細胞生物にも「交配・交雑」は存在 ６．寿命と老化 まとまらない、まとめ 146 これまでの知見 Fig. 3. Life span and energy metabolism. • 基本的には、カロリー少な目が長寿命 • インスリンシグナルが強すぎると短寿命 マウス：インスリン受容体、IRS-2 ショウジョウバエ：chico • マウスでは、脳による制御も重要 A Taguchi et al. Science 2007;317:369-372 147 異なる種の結果の問題 148 まとめ 主な（老化時）死因が異なる • ヒト：感染症→動脈硬化性疾患・癌 • マウス：癌 癌とダイエット（腸内細菌叢）の関連 • ショウジョウバエ：感染 生物は、さまざまな形で時を測る 休息(睡眠)には、一定の普遍性がある 寿命は、さまざまな要因に影響を受ける 動物の寿命を最長にする代謝量と、その 規定する活動・休息(睡眠)量が存在する • ドーパミンは意欲を高め活動を増やす が、寿命は短くする…かもしれない？ • • • • ご清聴、ありがとうございました！ 149 150 25
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