Research Summary
【Research field: Chronobiology】
What is time for 「life((living system)」? Answering this question is the ultimate goal of our research.
Thinking that LIFE (living system) always changes over time,
What is life (living system)? In order to answer the question, it is thought that it is possible to investigate the process of change with age and time and material changes.
The current research is as follows.[Japanese laboratories for studying biological clock] is here
Click here for an introduction to our laboratory. From the Japanese Society for Chronobia, Journal of Chronobiology, No. 1, 2021 (Vol.27 No.1).
生命にとって時間とは何か?この問いに答えることが我々研究の最終目的です。時間とともに常に変化するのが生命とすれば年齢・時間で変化していく過程および物質変化を調べることで生命とは何か?を解明することにつながると考えられます。現在の研究は以下のとおり。
【 体内時計を研究する研究室(主に日本国内)】はコチラ
当研究室紹介はコチラ 日本時間生物学会・学会誌「時間生物学」 2021年 1号 (Vol.27 No.1)から
【なぜ人は歳をとるに従い様々な疾患が生じるのか?を明らかにする】健康な体がなぜ病気になるのか?
- 物事の根本的原因(問題)を解き、健康な体がなぜ病気になるかを明らかにする
人は歳をとるに従い なぜ血圧が高くなるのか?なぜ血液凝固活性が上がるのか?なぜ癌が発生しやすくなるのか?なぜ糖尿病が発生しやすくなるのか?なぜ痴呆症、アルツハイマー病が発生しやすくなるのか?なぜ血友病患者は血液が凝固するようになるのか?
また人は暗い部屋にこもるとなぜ鬱を発生しやすくなるのか?なぜ睡眠障害が発生しやすくなるのか?
上記疾患は疾患が発症してから(発症後)の機構はよく研究されていますが、そもそもなぜこれらの疾患が発症するのか、疾患がなぜ年齢時間依存的に発症し、どの時期にどのような体の状況で発症するのかまったく不明です。我々はそれらの疑問を解決する哺乳類の一生の遺伝子発現を制御する調節機構を明らかにし、さらに遺伝子発現を長期間計測できる機器を開発しました。
「生命は、個体の中で時間/年齢軸に沿って極めてダイナミックで精巧な制御のもとに生起する反応ネットワークの総体である」 という我々のこれまでの研究から、時間軸と年齢軸を疾患発症機構解明にとりいれ、独自に開発した世界唯一の遺伝子発現解析システムと 世界で初めて明らかにしたげっ歯類年齢軸遺伝子発現調節機構を軸に、上記 いまだ明らかにされていない未開拓分野に、新しい道を開くべく研究を行っています。なぜ年齢依存的に発症するのか解明しない限り、根本的な治療法および発症機構解明はないと思われます。
そのために生体の短時間周期制御機構(一生死ぬまで繰り返す生体制御機構)である体内時計を軸とした生体リズムの制御機構と生体リズムの乱れがなぜ発症するのかをまず解明することを行っています。生体リズムの乱れが様々な疾患のトリガーと考えられるためです。また生物の一生の遺伝子発現調節機構(一生死ぬまで繰り返すことなく進む)がどのような状況で乱れるのか、生体リズムの乱れとどのような関係にあるか調べることで、今まで全くの不明であった年齢依存的疾患発症機構解明につながるものと考え、研究を進めております。疾患発症の起点をおさえることができれば根本的疾患治療確立および治療薬開発が可能になります。
上記2つの遺伝子制御機構は生命活動に必須のほとんどの遺伝子発現を制御しているため健康な体を維持するには重要です。2つの遺伝子発現制御がどのような刺激、物質、環境により乱れるのか明らかにすることが、全ての疾患のトリガーになるものと考えられます。遺伝子発現を乱すものが何かを見つけるのも我々の研究の1つであります。
下記写真は、大学の駐車場から撮った夜の風景です。私たちの大学では、晴れた日の夜はこのように満天の星空をいつでも見ることができます。いつでも満天の星空が見られるということは、私たちが生活している地域の夜は、本来の暗さを保っているということです。都会では日多くの人々は日々忙しく都会の便利さに目を奪われて、本来生物が持つ昼と夜の区別なく体を酷使しています。私たちが生活している栃木県大田原市は昼と夜の明確な明暗のメリハリがある環境です。昼はサンサンと明るく、夜は暗い。昼と夜の明確な明暗のメリハリがあることは、健康上、非常に重要であると私たちは考えています。私たちは体内時計的には非常に恵まれた自然環境で体内時計の研究を行っています。
近年都会では24時間社会になり便利にはなりましたが、昼活動して夜休むという生活リズムが崩れてしまっています。夜には本来存在しない強烈な刺激である「光」も私たちは日々浴び続けています。地球誕生の昔から繰り返されてきた昼と夜の自然なリズムに身を任せなくなってきたことが、様々な病気を引き起こす原因になっていることが最近分かってきました。具体的に例を挙げますと、癌や糖尿病、うつ病などの気分障害など幅広い病気の引き金になっています。つまり、古代から外見に変わりはないように見えても、体の中では危険な状態になっていると考えられるのです。便利さを追い求めた結果ですから、もたらされた24時間社会を今更手放すことは難しいでしょう。多くの人々は忙しく都会の便利さに目を奪われて、地球誕生の昔から繰り返されてきた昼と夜の自然なリズムの大切さに気付いていないのです。
私たちの研究室では、体がもつ24時間周期の生命活動と病気発症メカニズムの解明をテーマとして研究を行なっています。健康な体を維持するには体の各組織のリズムが整っていることが重要です。体の各組織のリズムを計測する方法を独自に開発しております。そして計測した体の各組織のリズムが乱れた時にどのように体が変化し疾患が発症するか研究しています。また体の各組織のリズムが乱れないようにするための方法を研究し、体内時計を深く知り健康な体をつくることを目指しています。
【研究内容】
当研究室は、独自に開発した長期間遺伝子発現追跡定量技術を用いて、様々な生命現象・疾患発症メカニズムを解明し、薬学分野においては薬学治療への貢献を目指しています。
当研究室の長期間遺伝子発現追跡定量技術は、自由行動下マウスにおいて複数組織の遺伝子発現の定量を一斉にリアルタイムで解析することが出来るものです。これは生きているマウスの細胞を光らせる生物発光イメージングと自由に動き回るマウスの動体追跡技術を融合させたものです。3次元空間内での発光量補正技術を確立したことにより、長期間の定量化が可能になりました。従来の技術での3次元で追跡定量すること自体が困難な事だったのは、自由行動下のマウスの動きは予測不能でカメラの受光感度が発光標的組織からの距離と角度が常に変化するということと、カメラは広範囲を捉えることは出来ても、受光量が距離の2乗に反比例するので空間内で光量の補正が必要だったということが挙げられます。当研究室は、それらの問題を解決すべく、カメラのステレオ撮影とパターンマッチング法を組み合わせた遺伝子発現追跡定量システムの技術(DuFT)を開発し、標的部位の発光を自動認識・自動追跡することに成功しました(Hamada et al., Nat Commun. 2016)。
生物発光イメージングに用いたトランスジェニック動物は、発現量に概日(24時間)周期があるPer-1遺伝子の下流にルシフェラーゼを繋いだマウスです。当システムによって、この1個体の各組織でPer-1遺伝子が長期間で概日周期での発現周期を自動定量化することに成功しました。
Per-1遺伝子は、その発現に概日周期を持つ体内時計遺伝子の1つです。体内時計は、生物が地球の概日周期の環境に適応すべく進化の過程で得られた機能と考えられています。体内時計を司る体内時計遺伝子は複数あり、その複雑な制御機構が全身の1日の生理・行動リズムを生み出しています。夜更かしや夜中にスマートホンを使いすぎて、次の日 ダルイといった経験は誰にでもある事でしょう。これは一日を刻むのに重要な体内時計が一時的に乱れたことによるものと考えられます。これまでの研究で、夜間勤務や不規則勤務の人は昼間勤務の人に比べガンや心臓病などの罹患率が高いことが分かっていますがその発症メカニズムは全く分かっていません。当研究室では、開発した長期間遺伝子発現追跡定量技術を用いて、体内時計の乱れが引き起こす疾患発症機構を明らかしたいと考えています。また、疾患によっては1日の中で発症しやすい時間帯があったり、薬によっては効果が出やすい時間帯や副作用が出やすい時間帯があったりすることが分かっていますので、それらの作用機序についても明らかにしたいと考えています。生体深部の遺伝子発現解析においては、現在CCDカメラで検出限界以下の発光を検出すべく2種類の組織密着型センサーを開発し (Ito et al., Luminescence, 2020, Hamada et al., BBRC, 2020, Nakajima et al., Luminescence, 2021) 、生体深部複数部位(脳深部および内臓などの同時計測)の遺伝子発現解析を進めています。
DuFT と組織密着型センサーを融合することで自由行動している生物のあらゆる部位の遺伝子発現定量解析と行動などの表現系とのリアルタイム同時計測が可能となり、我々の技術は生体機能解析から様々な疾患発症機構解明、治療薬開発と応用範囲は限りなく広いと思っております。現在 体内時計の乱れが関与する疾患睡眠障害、乳癌、糖尿病の疾患発症機構および極めて初期段階の疾患同定法について上記計測方法を用いて研究を行っております。
〇 現在の研究に関する「生体リズムの乱れる過程を計測」に関しては以下のサイトで紹介されています。
1. 国立研究開発法人 科学技術振興機構 Japan Science and Technology Agency (JST) (https://www.jst.go.jp/)
JSTサイエンスクリップ Sciecne Portal (http://scienceportal.jst.go.jp/clip/20161125_01.html)
「世界初、体内時計が乱れる過程を生きたマウスで観察」
by サイエンスライター 丸山 恵
2. Nature Reviews Genetics, volume 17, page439(2016) (https://www.nature.com/articles/nrg.2016.84)
「Tick Tock — keep your eyes on the clock」
by Denise Waldron
3. 海外メディア:
Science Daily, Taconic Biosciences, Research SEA-Asia Research News,
Neuroscience News, Eurek Alert, Alpha Galileo,
Newsline, Biology, GENI-SCIENCE,SciFeeds,
BioInformatics, Halen2uTech, Science and technology research news,
Medical xpress, Analytica-world Canadians for Health Research,
Asian Scientist, Newswise Health Medicinet, Health and Medicine news,
Med India, Science Magazine, Life Science Research,
Technobahn, Bionity, Neuroscience RSS Feeds - Neuroscience News Updates, Promega Connection
などで「体内時計の乱れに関する研究」が紹介されました。
(Key words: Toshiyuki Hamada, Watching the luminescent gene switch で検索可能)
日本メディア:
北海道医療新聞: 「北大グループ,マウス遺伝子発現リズムを複数組織で連続測定]
日経バイオテクOn line:「北海道大学,自由に動いているマウスの複数の遺伝子発現リズムを連続測定する
システムの開発に成功~体内時計遺伝子による健康状態の可視化技術~
Nature Japan (ネイチャージャパン): 今月のおすすめコンテンツ (2016年 6月)
「自由行動マウスの複数組織における時計遺伝子発現のin vivo追跡定量化」
詳しくはコチラ
ルシフェラーゼの活用例として 「プロメガ」 の総説記事で 本件が紹介されています。
Bioluminescence and Biotechnology: Shining Nature’s Cool Light on Biology, JANUARY 19, 2021 BY AMY PREVOST
〇 プレスリリース関連:
国際医療福祉大学1
発表内容2024年:
我々が開発した動体追跡技術は、3次元空間で予測不可能な動きをするマウスの体の特定部位を1mm以下の誤差で3次元座標をリアルタイムに正確に同定し解析します。以前、この動体技術を用いて生体各組織の遺伝子発現を長期間リアルタイムに定量解析するシステム「MouseTracker」を開発し、生体リズムが乱れる過程を可視化しました(Hamada et al., 2016, Nature comm.)。今回、動体追跡技術でマウスの頭の動きを0.5sec 毎にリアルタイムに追跡し、最長10秒以内に睡眠、飲水、摂食、自由行動を自動解析し、3次元空間でマウスが飼育ケージ内で、いつどこで何をしているかリアルタイムに明らかにするアプリケーションソフトを開発し「SleepDetect」と名付けました。これまでの自由行動しているマウスの睡眠解析は脳に電極を取り付ける手術をする必要があり、解析には脳波の周波数解析にある程度の時間が必要でした。遺伝子発現解析システム「MouseTracker」と連動することで、様々な行動をしているマウスの各組織の遺伝子発現を同時に解析でき、遺伝子発現から行動解析まで長期間自動解析できます。
「動体追跡技術をもちいた新規睡眠行動解析システム 「SleepDetect」の開発」
Toshiyuki Hamada*, Kenneth Sutherland, Jun Saito, Masayori Ishikawa, Naoki Miyamoto, Sato Honma, Hiroki Shirato, Ken-ichi Honma, * Corresponding author
Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 732, 5 Noember, 2024(online 10 July)
国際医療福祉大学2
プレスリリース内容2023年:
毎日一定時刻にマウスやラットに覚醒剤を投与すると、投与の数時間前から活動量が増加し、体が何時に覚醒剤を投与されていることを予知しているような予知行動リズムが誘発される。予知行動は覚醒剤投与により脳内に新たな神経回路が形成され発現すると考えられ、覚醒剤の脳神経に作用する機構解明にもつながる。予知行動形成には時計遺伝子の発現誘導が伴うことが報告されているが詳細な機構は明らかとなっていない。今回、簡易的かつ非侵襲的に予知行動形成を毛1本から解析する計測システムを開発し、予知行動形成時期は毛の時計遺伝子Period1(Per1)発現変化で検出でき、覚醒剤投与3日目に形成されることを明らかにしました。
「覚醒剤による脳神経変化の時期を毛1本から検出することに成功」
Cells, 2023, 12(4), 654
佐藤璃育1(薬学部6年),金井恩熙1(薬学部6年), 吉田幸那1(薬学部R4年卒業)、福島汐里1(薬学部5年), 野上将太1(薬学部5年), 山口剛史1, 飯島典生1, ケネス・リー・サザーランド2, 芳賀早苗2, 尾崎倫孝2, 浜田和子1, 浜田俊幸1
1国際医療福祉大学、2北海道大学
国際医療福祉大学プレスリリース(NEWS RELEASE) 4月5日2023年
(https://researchmap.jp/circadian-1/published_papers/42182061)
国際医療福祉大学3
プレスリリース内容2021年:
血糖値は正常であり、将来的に糖尿病になる未病段階において時計遺伝子が一過性に上昇することで糖尿病発症のトリガーになることを発見した。毛をもちいた極めて簡易的な方法で糖尿病の未病段階か発症直後、重篤化の状態を判断する基盤を確立した。
「糖尿病初期段階を毛でとらえることに成功」
The analysis of Period1 gene expression in vivo and in vitro using a micro PMT system
Biochemical and Biophysical Research Communications, 577, 64-70, 2021
浜田和子1,石井悠暉1(薬学部6年), 吉田幸那1(薬学部6年)、中屋美月1(薬学部6年),
佐藤良祐1(薬学部6年), 金井恩熙1(薬学部5年), 菊池祥裕1(薬学部R3年卒業), 山口剛史1, 飯島典生1, ケネス・リー・サザーランド2, 浜田俊幸1,2,
1国際医療福祉大学、2北海道大学
国際医療福祉大学プレスリリース 9月28日2021年
(https://researchmap.jp/circadian-1/published_papers/33865492)
北海道大学発信2
プレスリリース内容2016年:
体のリズムが乱れていく過程を世界で初めて可視化することに成功した。不規則な動きをする生物の各組織の遺伝 子発現をリアルタイムに定量する「遺伝子発現追跡定量システム」を独自に開発し、世界で初めて自由に動いているマウスの複数組織の遺伝子発現を追跡定量することに成功した。
In vivo imaging of clock gene expression in multiple tissues of freely moving mice
2 国内:「自由に動いているマウスの複数の遺伝子発現リズムを連続測定するシステム
開発に成功~体内時計遺伝子による健康状態の可視化技術~ 」
北海道大学プレスリリース、6月13 日2016年
(https://www.hokudai.ac.jp/news/160613_med_pr.pdf)
2 国際:「Watching the luminescent gene switch」,
Research Press Release, Hokkaido University, 6月20 日2016 年
(https://www.global.hokudai.ac.jp/blog/watching-the-luminescent-gene-switch/)
産業技術総合研究所1/北海道大学発信1
プレスリリース内容2010年:
生物の一生の遺伝子発現を制御する機構を哺乳類で世界で初めて確立した。健康な人でも血液凝固活性は年齢と ともに上昇するが、原因物質をhnRNPA3蛋白質であることを証明し、生体内遺伝子発現を人工的に年齢依存的に上昇させたり、一生発現量が一定にする技術の基盤を確立した。
1 国内:「老化や年齢に伴う疾患研究に新しい道を開く蛋白質の同定に成功」
北海道大学プレスリリース、9月17 日2010年
(https://www.hokudai.ac.jp/bureau/topics/press_release/100927_pr_med.pdf)
SCN内での時計遺伝子発現のSCN空間的および時間的発現変化の発見
米国コロンビア大学 (浜田:日本学術振興会海外特別研究員)
哺乳類体内時計中枢は脳内視床下部の視交叉上核(約1万個の神経細胞からなる)に存在する。睡眠関連薬ラメルテオンの作用部位である。これまでの生物時計の常識を覆す 「時計遺伝子は全ての視交叉上核の細胞に発現しない」 ことを発見した。視交叉上核は機能的に時計遺伝子を発現する部位としない部位に分けられ、地球上の外界環境に2つの領域をもちいて適応することを明らかにした。
Hamada T, LeSauter J, Venuti JM, Silver R The Journal of Neuroscience, vol.21, pp7742-7750, 2001.
Citation : 278 (google scholar, 5/31/2023現在)
米国コロンビア大学 (浜田:日本学術振興会海外特別研究員)
哺乳類体内時計中枢SCN内での時計遺伝子発現はSCN部位特異的および時刻特異的に発現部位が変化することを世界で初めて証明した。時計遺伝子Per1, Per2は第3脳室沿いのSCN背内組織部位の細胞群が初めに発現し、その後時間をかけて発現ピーク時刻にはSCN全体に分布し、夕方から夜にかけてSCN全体から消失していく過程を明らかにした。
Hamada T, Antle MC, Silver R European Journal of Neuroscience, vol.19, pp174-178, 2004.
Citation: 168 ( (google scholar, 7/01/2022現在)
その他: [小学館」 JapanKnowledge 今日の人物 JK who's who 浜田俊幸
by 森田悦子 小学館 1月18日2011年
(https://researchmap.jp/circadian-1/published_papers/33300180)