生物リズム低温停止現象の分岐理論を用いた理解

• Project/Area Number: 16J40136
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Waseda University (2019-2020); Kyushu University (2016-2018)
• Principal Investigator: 村山(井上) 依子 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 概日リズム / 卵割 / 分岐理論

Outline of Annual Research Achievements

生物リズムは低温下など環境条件を変えるとリズム消失が起こることがある。「なぜリズムが見られないのか」という疑問に関して有効な理論が、非線形動力学の分野で知られている分岐理論である。この理論によれば自律振動が見られなくなるタイプの分岐は主に2種類、振幅がゼロになってリズム消失するHopf分岐と周期が無限大になってリズムが停止するSaddle-node on an invariant circle（SNIC）分岐がある。本研究では分岐理論を用いて低温下での「リズムがなくなる」現象を2種類に分類し、理解することを目的としている。これまでに、シアノバクテリア概日リズムはHopf分岐のシナリオでリズムが消失することを示し、リズムがないと考えられてきた低温域でもわずかな昼夜の変化に共鳴してリズムが回復するという現象を見つけて報告した。本年度は主にSNIC分岐と予想されるアフリカツメガエル受精卵の低温環境下での細胞周期の停止に関する研究を進めた。受精卵の初期の卵割は18℃では約30分周期で起こることが知られている。受精卵を冷やすと、13℃で約85分、10℃で約120分と卵割周期が伸びることがわかった。また6℃では一度も卵割しなくなり、8.5℃では一度だけ卵割が起こって停止した。最初の卵割が起こらなくなる臨界温度は6～8.5℃であるが、卵割回数によって臨界温度が異なる結果が得られている。SNIC分岐の理論によると、リズムがなくなる6℃でも適切な刺激を与えると一度だけ卵割が起こる（興奮性を示す）と考えられる。短時間の高温パルス刺激を与えた後6℃に戻すと一度だけ卵割が起こるという予備的な結果が得られた。今後さらにSNIC分岐の理論をもとに細胞周期の振動子としての性質に迫る研究を行い、成果を論文にまとめたい。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Low temperature nullifies the circadian clock in cyanobacteria through Hopf bifurcation (2017)
  • Author(s): Murayama Yoriko、Kori Hiroshi、Oshima Chiaki、Kondo Takao、Iwasaki Hideo、Ito Hiroshi
  • Journal Title: PNAS Volume: 114 Issue: 22 Pages: 5641-5646
  • DOI: 10.1073/pnas.1620378114
  • NAID: 120006220445
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Understanding of low-temperature-induced arrhythmias based on bifurcation theory. (2017)
  • Author(s): Yoriko Murayama
  • Organizer: Circadian clock of cyanobacteria during 1991-2017.
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 低い温度で体内時計が止まるメカニズムを解明 ブランコの物理学が明らかにする止まった体内時計の直し方
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/127
• [Remarks] 体内時計は冷やすとブランコになるー物理学が明らかにする体内時計のとまりかた
  • URL: https://academist-cf.com/journal/?p=5375