生物リズムと冬眠における周期の決定機構に関する数理・データ解析的アプローチ

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体内時計と冬眠の周期の決定機構について、実験データの解析と数理モデルによる研究を行った。生物リズムは、イオンチャネルやタンパク質の立体構造、遺伝子発現、クロマチン構造など様々なプロセスが関係しており複雑である。今年度は特に、精度の高い実験データを再現する数理モデルの推定と、数理モデルから導かれる予測の実験データを用いた検証を行った。具体的には次の課題に取り組んだ。(1) 冬眠中体温リズムの時系列解析、(2) 体内時計に関する数理モデル予測の検証。わかっていないことの多い冬眠現象を理解する上で、冬眠中の体温データは重要な手がかりを与えてくれる。私たちは最近、実験系研究者との共同研究により、シリアンハムスターの体温データを再現する数理モデルの推定を行い、2つの周期からなる簡単な数理モデルが実験データを精度よく再現できることを見出した(bioRxiv 2021)。今年度は、冬眠前後の体重などの値や、数理モデルのパラメータの中から冬眠期間を説明する因子を探索した。そして、私たちの数理モデルに含まれる短い周期の成分と、冬眠直前の体重との組み合わせにより冬眠期間を説明できることを見つけた（論文投稿中）。分子機構が比較的わかってきている体内時計で長年未解決とされている問題が、周期の温度補償性である。体内時計の周期は朝型/夜型、あるいは睡眠障害と関係する重要な量でもある。私たちはこれまでの数理モデルを用いた研究で、高温で反応が速くなるにも関わらず周期を安定化するためには、高温において遺伝子タンパク質のリズム波形がひずむ必要があると予測していた(Biophys J 2019)。今年度は、これまで詳細な定量化がされてこなかった既発表データを用いた解析を行った。そして、私たちの理論予測通り、高温で遺伝子タンパク質のリズムがひずんでいることがわかった（投稿準備中）。