光同調（時間生物学）

時間生物学において、光同調とは、生物の体内時計、つまり概日リズムが環境の明暗の毎日の周期に同期するプロセスを指します。光同調のメカニズムは生物によって異なります。^[1]光同調は、生理学的プロセスの適切なタイミングを維持し、自然環境内での行動を調整する上で重要な役割を果たします。^{[2] [3]}生物のさまざまな光同調メカニズムを研究することで、生物が人為的な環境の変化に適応する方法が明らかになります。^{[4] [5]}

現在では概日リズムとして知られている24時間の生理的リズムは、1729年にフランスの天文学者ジャン・ジャック・ドルトゥー・ド・メランによって初めて記録されました。メランは、ミモザ（ Mimosa pudica）の植物が暗い部屋にいるにもかかわらず、太陽の位置に自らを向けることを観察しました。^{[6]この観察から、}シアノバクテリアから哺乳類までの生物に内因的に発現する毎日のリズムの根底にあるメカニズムの解明を目指す時間生物学の分野が生まれました。これには、光同調のプロセスの理解とモデル化も含まれます。

20 世紀の著名な 2 人の時間生物学者、ユルゲン・アショフとコリン・ピッテンドリグは、1960 年代を通じて光同調のプロセスをモデル化するために研究を重ねたが、同じ対象を研究したにもかかわらず、異なる結論に達した。アショフは、生物が環境のタイミング キュー (ドイツ語で「タイムギバー」と呼ばれることが多い) に徐々に同調し、体内の「概日」周期を 24 時間より長くまたは短く変更して、最終的にツァイトゲーバーの時間に一致すると仮定した同調のパラメトリック モデルを提唱した。^[7]逆に、ピッテンドリグは、生物が、体内の概日周期が光を見ることを期待する時間と同期していない光信号 (ツァイトゲーバー) に直面した場合、体内時計を瞬時に調整すると仮定した同調の非パラメトリック モデルを提唱した。^[7]

ピッテンドリグは、自由走行（ツァイトゲーバーに同調していない）している生物に対する短い光パルスの影響を視覚化する位相応答曲線に基づいてモデルを開発した。ピッテンドリグは、生物の光に対する反応は信号が提示された時期に依存することを突き止めた。生物の主観的夜の早い時期（生物の「通常の」暗期の早い時期）に光にさらされると、翌日の活動開始が遅れる（位相遅延）ことが判明した。さらに、主観的夜の遅い時期に光にさらされると、翌日の活動が早まる（位相前進）。^[8]生物が経験する位相変化は、前進ゾーン、遅延ゾーン、デッドゾーンを含む部分で構成される位相応答曲線で表すことができる。このモデルはアショフのパラメトリックモデルよりも広く受け入れられたが、どのモデルが光同調のプロセスを最も効果的に説明するかはまだ不明である。^[7]

一定光条件下での光の強度も生物の反応を調節することがわかった。より強い光にさらされると、生物の周期は種によって延長したり短縮したりすることがわかり、アショフの法則と呼ばれている。^[8]

真菌や動物などの多細胞生物における光同調の分子メカニズムは、翻訳されたタンパク質産物が遺伝子の転写に影響を及ぼす転写翻訳フィードバックループ（TTFL）に関連付けられている。 ^[9] TTFLは正腕と負腕の両方で構成され、正腕タンパク質は負腕遺伝子の転写を促進し、負腕タンパク質は正腕の活動を阻害する。TTFLは自律的で、およそ24時間の周期を持つことがわかっている。^[9]正腕と負腕の構成要素は生物によって異なるが、哺乳類では正腕の構成要素にはCLOCKとBMAL1が含まれ、負腕の構成要素にはPER1、PER2、CRY1、CRY2が含まれる。^[9]多くの哺乳類の場合、目の光受容体によって検出された光信号は、視交叉上核（SCN）にある哺乳類のマスタークロックに信号を送り、それがさまざまな正腕と負腕のタイミングに影響を与えます。^[10]その結果、様々な時計タンパク質の発現が変化し、生物が光同調を起こすことが可能になります。^[9]

単細胞生物では、概日リズムはTTFLを使用せずに、KaiABC複合体と呼ばれる3つのタンパク質複合体によって生成されると考えられています。このシステムにおける同調のメカニズムは、さまざまなタンパク質によって制御されていることが知られています。^[11]

環境サイクルへの同調は利点のある特性であり、ほぼすべての生物に見られます。捕食者と被食者の相互作用、花粉媒介者の行動、移動のタイミングなど、多くの生態学的関係はすべて、生物の体内時計を地球の24時間リズムに同期させることを必要とします。^[12]同調していない、つまり昼と夜のサイクルに同期していない個体は、摂食の機会、交尾の機会などを逃す可能性があり、それが生存の可能性に影響を与える可能性があります。概日時計と同調のメカニズムの両方の既知のモデルは、ドメインと界全体のさまざまな生物で異なり、同調の行動的意義も異なります。

哺乳類は生き残るために、特定の時間に起きて餌を確保し、自身が獲物にならないようにしなければならない。哺乳類では、外部の明暗周期がマスタークロックを同調させ、それが体中のさまざまな概日時計を同期させ、末梢時計と呼ばれる。^[8]光色素メラノプシンは、内因性光感受性網膜神経節細胞（ipRGC）と呼ばれる特定の網膜神経節細胞に存在し、体全体の概日リズムを制御する哺乳類のマスタークロックである視交叉上核（SCN）に信号を送る。 ^[10]メラノプシンに加えて、メラノプシンノックアウトマウスを使用した研究では、桿体と錐体もSCNの光応答に役割を果たしていることが判明している。^[10]哺乳類の眼球摘出（眼球の除去）により、自由走行リズムが生じ、眼球が光同調に必要であることが示された。^[13]

光合成独立栄養性シアノバクテリアはエネルギー源として太陽光に依存しているため、夜間を予測できないと生存と繁殖能力が脅かされる。シアノバクテリアは夜を過ごすために十分なグリコーゲンの蓄えを必要とする。^[14]また、光同調によりシアノバクテリアは光に適切に反応し、青色光が顕著な夜明けに向けて光合成装置を準備することができる。光への適切な同期により、酸素に敏感な窒素固定と酸素生成光合成を時間的に分離し、後者が前者を阻害しないようにすることができる。^[15]

シアノバクテリアは単一細胞レベルで光パルスに同調することができますが、シアノバクテリアのすべての株が光に同調するわけではありません。シアノバクテリアの中には一定の光条件下でリズミカルな光合成を示すものもあれば、一定の光条件下で光合成酸素発生レベルで測定される恒常的な光合成活性を示すものもあります。^[16]

真菌は哺乳類と同様にTTFL駆動型時計を使用しているため、その同調には環境刺激に基づいた特定の時計タンパク質の濃度の調整が含まれます。より具体的には、青色光は光受容体WC-1とそのパートナーWC-2を介して周波数遺伝子frqの転写を誘導し、タンパク質産物FRQはその後リン酸化を介してWC-1とWC-2の活性を制御します。^{[17] [18]}紫外線やその他の光の波長は、真菌のDNA損傷や変異を引き起こす可能性があります。DNA複製には染色体の巻き戻しが必要であり、DNA分子を紫外線損傷にさらすため、真菌は紫外線が最も少ない時間帯にDNA複製をスケジュールする必要があります。^[19]

光同調には数多くの臨床的意味合いがあります。光療法は、時差ぼけ、季節性情動障害 (SAD)、睡眠障害、認知症、双極性障害など、 さまざまな病気の治療に使用できます。

時差ぼけは、人の概日リズムが環境と同期していないときに発生し、これは通常、タイムゾーンをまたいで旅行することによって引き起こされます。時差ぼけの人は、疲労、不眠、頭痛などの症状を経験します。光療法はこれらの症状を軽減するのに役立つと考えられています。ある研究では、旅行の方向に応じた光療法が有益である可能性があることが示されています。^[20]東に向かう旅行者は飛行前に位相前進光療法を受け、西に向かう旅行者は飛行前に位相遅延光療法を受けました。^[21]

冬季の光不足によるドーパミン活動の乱れは、季節性情動障害（SAD）の原因であると考えられています。そのため、光療法は、環境中ではもはや得られない光を提供することで、網膜ドーパミン活動を高めるのに役立つ可能性があるという仮説が立てられました。^[22]光線療法の実施は1984年に始まりました。伝統的に、SADのために光線療法を受ける人は、朝に1時間あたり5000ルクスの治療を受けます。この治療の効果は、概日リズムが早まることです。これは、冬季の位相遅延を打ち消すために行われます。^[21]

光療法は、概日リズム睡眠障害の治療にも使用できます。これらの障害は、概日リズムと環境の明暗サイクルの不一致によって引き起こされます。睡眠障害のある人は、不眠症または過眠症を経験します。光療法が治療に効果的な睡眠障害には、睡眠相後退型 (DSPT)や睡眠相前進型 (ASPT)などがあります。DSPT は、遅く寝て早く起きることができず、通常の勤務スケジュールに同調できないときに発生します。DSPT を解決するのに役立つ方法はいくつかあり、朝の白色光への曝露、午後 4 時以降の光制限、光マスク、朝の青色光への曝露などがあります。^[23] APST は、早寝早起きの両方が特徴で、通常は高齢者に見られます。夕方の光療法 (体温が最低点に達する前に実施) は、これらの患者の位相遅延を誘発するのに役立つ可能性があります。^[21]

認知症は精神機能の低下であり、記憶、思考、意思決定などに障害をもたらします。認知症は睡眠覚醒サイクルの乱れと関連しています。したがって、光療法は乱れた睡眠覚醒サイクルの改善に役立つ可能性があります。^[24]これが本当であれば、睡眠の質が向上し、機能も改善されます。認知症の治療として光療法を検討した研究がありますが、結果は矛盾しています。ある研究では、朝の光療法は認知症患者の睡眠に役立ちましたが、機能は改善しませんでした。他の試験では、睡眠も行動も改善しなかったようです。したがって、光療法が認知症の効果的な治療技術としての可能性を明らかにするために、さらに研究を行う必要があります。^[21]

双極性障害は、行動、感情、エネルギーなどの突然の変化を特徴とする精神障害であり、これらの変化は双極性エピソードと呼ばれることがあります。双極性障害の人は躁病エピソードとうつ病エピソードの両方を経験することがあります。双極性障害は治療が難しいため、光療法が潜在的な解決策として検討されました。関連する研究の1つは、双極性障害に対する光療法試験のメタ分析でした。全体的な結果は有望でしたが、決定的ではありませんでした。結果は、光療法が症状を抑制し、臨床反応を改善できることを示しました。^[25]さらに、別のメタ分析では、光療法が患者の症状に役立ち、悪影響は引き起こさないことがわかりました。ただし、光療法は双極性障害の寛解率に影響を与えませんでした。^[26]