| Project/Area Number |
21K06105
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 43040:Biophysics-related
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
黒澤 元 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 専任研究員 (90550525)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
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| Keywords | 冬眠 / 体温データ / データ解析 / 数理モデル / 体内時計 / 生物リズム / 赤池情報量基準 / 温度補償性 / 周期 / ネットワーク / 波形歪み / 一般化調和解析 |
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| Outline of Research at the Start |
生物は、様々なスケールのリズムとともに生きている。神経活動リズムはミリ秒、体内時計は1日のスケールである。生物リズムは体内で必要不可欠な機能を担う。特に周期の長さは、体内時計の朝/夜型や睡眠障害と関係するなど重要な量である。研究が進み、タンパク質の立体構造、遺伝子産物の生成と分解、クロマチン構造などが、生物リズムに関係していると考えられている。しかしシステムの構成要素が多く複雑であるため、周期の決定機構は不明である。本研究は、我々が最近開発した周期と波形のひずみに関する数理と、生物学で用いられたことのない手法によるデータ解析の双方を駆使し、生物リズムと冬眠の周期の決定機構を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
体内時計と冬眠の周期決定機構について、実験データの解析と数理モデルを用いた研究を行いました。生物リズムは、イオンチャネル、タンパク質の立体構造、遺伝子発現、クロマチン構造など、さまざまなプロセスが関与しており、非常に複雑です。複雑な現象の理解を目指し、今年度は特に、冬眠中の正確な体温データを再現する数理モデルの推定に注力しました。
冬眠中のシリアンハムスターやジリスなどの冬眠動物では、体温が環境温度近くまで低下しますが、低温が持続するわけではなく、環境温度に近い低温と通常の体温の間を何度も変動します。体温データは、冬眠中でも測定可能な重要な指標としてこれまで注目されてきました。しかし、体温データにはノイズが多く、変動の周期が一定でないため、詳細な時系列解析は困難でした。
私たちは、体温データに対する時系列解析とデータを再現するモデルの探索を行うことで、データを正確に再現する単純な数理モデルを構築することに成功しました (npj Biological Timing and Sleep, in press)。本研究は、シリハムスターの体温データを北海道大学の山口良文教授の研究室から、ジュウサンセンジリスの体温データをエール大学のElena Gracheva准教授の研究室から提供を受け、国際共同研究として実施しました。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
体内時計と冬眠の周期に関するデータ解析と数理モデルによる解析を行いました。具体的には、以下のテーマについて研究が進展しました。今年度は特に、冬眠中の精度の高い体温実験データを再現する数理モデルの推定に取り組み、データを正確に再現する単純な数理モデルを構築することに成功しました (npj Biological Timing and Sleep, in press)。
冬眠については古くから研究が行われており、国内外の研究によって冬眠に関わる分子や脳内中枢部位が明らかになりつつあります。また、これまでの研究で冬眠生物には、概年リズムの関与が示唆されるリスやクマのような「絶対冬眠型」と、低温環境におけばいつでも冬眠できるハムスターのような「任意冬眠型」の2種類があるとされています。
私たちは、任意冬眠型のシリアンハムスターの体温データと、絶対冬眠型のジュウサンセンジリスの体温データが同じ単純な数理モデルで再現できることを明らかにしました。一つの数理モデルが2種類の生物のデータを説明できるということは、私たちにとって予想外の発見でした。これらの結果は、共通したメカニズムが異なる生物の冬眠に作用している可能性を示唆していると考えています。
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| Strategy for Future Research Activity |
体内時計と冬眠の周期決定機構について、引き続き実験データの解析と数理モデルを用いた研究を行っていきます。具体的には、次のテーマに特に集中して取り組みます。
1様々な生物を対象とした冬眠中体温リズムの時系列解析
2様々な振動モデルにおける周期の数理的解明
冬眠については、これまでに構築したデータを精度良く再現する単純な数理モデル (npj Biological Timing and Sleep, in press) のパラメータと、体重などの観測された生理的な値を組み合わせて冬眠の長さを説明することにいどみます。また、体内時計については、遺伝子活性リズムの（サインに近い形や矩形波など）時系列波形に着目した解析を行います。これまでの私たちの研究では、体内時計の振動モデルにおいて周期が波形の歪みの程度に比例することを見出しています (Biophys J 2019; J Theor Biol 2020)。また、今年度までの解析で、波形に関する理論予測が体内時計の既発表実験データで確認されています（論文準備中）。今後は、これまでの成果を論文としてまとめるとともに、生理応答で重要なErk系リズムのモデルに対しても波形と周期の関係を解析します。
もしも体内時計以外の数理モデルにおいて、体内時計のモデルで見出された周期-波形の関係が成り立たない場合は、ネットワークのトポロジーの違いやパラメータの違いに着目し、数理モデルの解析およびシミュレーションを行います。このようにして、実験データの解析と数理モデルの両面から体内時計と冬眠の周期決定機構にせまります。
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