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

确定生物节律和冬眠周期的数学和数据分析方法

基本信息

批准号：
21K06105
负责人：
黒澤元
金额：
$ 2.33万
依托单位：
Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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）。

我们利用实验数据分析和数学模型对决定生物钟和冬眠周期的机制进行了研究。生物节律复杂，涉及离子通道、蛋白质3D结构、基因表达、染色质结构等多种过程。今年，我们特别关注估计能够重现高度准确的实验数据的数学模型，并使用实验数据验证从数学模型得出的预测。具体来说，我们解决了以下问题。（1）冬眠期间体温节律的时间序列分析，（2）生物钟数学模型预测的验证。冬眠期间的体温数据为理解冬眠现象提供了重要线索，而冬眠现象在很大程度上是未知的。我们最近与实验研究人员合作，估计了一个再现叙利亚仓鼠体温数据的数学模型，发现由两个周期组成的简单数学模型可以准确地再现实验数据（bioRxiv 2021）。今年，我们从冬眠前后的体重等数值以及数学模型参数中寻找解释冬眠期的因素。我们还发现，冬眠期可以通过我们的数学模型中包含的短周期成分和冬眠前体重的组合来解释（目前正在提交的论文）。生物钟的一个长期未解决的问题是周期的温度补偿，其分子机制相对较好。生物钟的周期也是与早/晚和睡眠障碍相关的重要变量。在我们之前使用数学模型的研究中，我们预测即使反应在高温下加速，基因蛋白的节律波形也需要在高温下扭曲才能稳定循环（Biophys J 2019）。今年，我们使用之前发布的尚未详细量化的数据进行了分析。正如我们的理论所预测的，我们发现基因蛋白的节律在高温下会被扭曲（为提交做准备）。