体内時計は、すべての動物の複雑な生理機能を調節する多くの側面に関与しています。1935年、ドイツの動物学者ハンス・カルムスとエルヴィン・ビューニングが、ショウジョウバエの概日リズムの存在を発見しました。しかし、概日時計の背後にある内部分子メカニズムは、1984年にジェフリー・C・ホール、マイケル・ロスバッシュ、マイケル・W・ヤングが24時間周期で振動するPer遺伝子の発現を発見するまで謎のままでした。その後、他にも多くの関連遺伝子が同定され、概日リズムの制御機構がさらに解明されました。ジェフリー・C・ホール、マイケル・ロスバッシュ、マイケル・W・ヤングの生体内概日時計の理解への貢献が認められ、2017年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。

概日リズムの分子機構

ショウジョウバエでは、Period(PER)タンパク質が細胞内の概日リズムを制御する主要な調節タンパク質です。PERは、Timeless(TIM)と呼ばれる別の必須タンパク質と複合体を形成し、核に入ります。ここでは、フィードバック阻害を通じて細胞内のPER発現レベルを調節できます。さらに、転写活性化因子であるClockとCycleの活性を阻害することにより、他の遺伝子の発現も制御します。重要なのは、PER/TIM複合体の安定性は光の有無に依存するため、日中の条件下では低下するということです。その結果、PER/TIM複合体の下流の遺伝子の発現は光によって制御され、この現象により概日時計の同期が可能になりました。

哺乳類では、概日リズムの調節は非常によく似た方法で機能します。しかし、いくつかのパラログ遺伝子が追加されたため、経路全体の調節はショウジョウバエよりもはるかに複雑になります。

概日リズムの意義

地球上のすべての生物は、24時間の昼夜サイクルの存在下で進化し、それに応じて細胞、生理学的、行動的応答を適応させてきました。例えば、哺乳類の睡眠と覚醒の日周周期、体温、ホルモン放出は概日リズムによって制御されています。不規則な概日リズムは、双極性障害や睡眠障害など、多くの健康問題を引き起こす可能性があります。さらに、概日リズムの乱れは、心血管系を含む体の他のシステムに悪影響を与える可能性があります。