Regulatory mechanisms of cellular circadian clock via mitochondria

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 16H04651
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Neurophysiology / General neuroscience
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: IKEDA MASAYUKI 富山大学, 大学本部, 理事・副学長 (10288053)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池田 正明 埼玉医科大学, 医学部, 教授 (80232198) ; 森岡 絵里 富山大学, 学術研究部理学系, 助教 (80756122)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 体内時計 / 細胞内カルシウム / 細胞内プロトン / 視交叉上核 / 外側ニューロン / 概日ペースメーカー / 行動リズム

Outline of Final Research Achievements

To anticipate daily energy demands, cellular metabolic pathways are closely associated with circadian clock mechanisms. Molecule to molecule interactions and enzymatic phosphorylation intermediate molecular clock movements and metabolisms whereas related ionic movements were not well characterized. Here we find that mitochondrial cation antiporter (LETM1) drives circadian cytosolic H+ rhythms in Drosophila lateral neurons and cytosolic Ca2+ rhythms in rat suprachiasmatic nucleus neurons. These ionic oscillations may drive neurophysiological output rhythms in circadian pacemaker neurons. Moreover, knockdown of LETM1 prolonged or damped clock gene transcriptional and translational rhythms in circadian pacemaker neurons. Therefore, circadian ionic rhythms caused in parallel with metabolic activities via LETM1 could be a feedback signal to stabilize core clock oscillations, which strengthen neural pacemaker functions.

Free Research Field

分子神経生理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

体内時計発振は、時計遺伝子産物の相互作用や転写制御により説明されてきた。また近年では、代謝振動が組み合わさってリズムを形成することが明らかにされている。本研究ではミトコンドリア内膜に存在するLETM1を介したCa+/H+の交換に概日リズムが存在することや、これらのイオン濃度リズムが時計遺伝子転写翻訳リズムや行動リズム形成に重要であること（イオンによるフィードバック）を明らかにした。これまで、哺乳類のペースメーカーニューロンでは概日Ca2+濃度リズムが存在することは知られていたが、ハエでは、Ca2+濃度に代わりH+濃度がリズムを刻んでいることを、初めて明らかにした点も大きな学術的な成果といえる。