眠くなってきた ― タンパク質タグが原因を解明

2年前、日本の科学者たちは、眠気を催さないマウスを発見したと報告しました。Sik3と呼ばれる遺伝子に変異を持つこのマウスは、通常よりも30%以上長く睡眠をとっていました。目覚めた時はすっきりしているように見えましたが、通常の実験仲間の就寝時間よりもずっと前に再び眠る必要がありました。まるで、このマウスは睡眠に対する強い欲求を持っているかのようでした。

筑波大学国際統合睡眠医科学研究所の別の研究グループは、睡眠不足のマウスとSik3変異を持つマウスの脳内化学組成を調べた結果、十分な休息を取った正常なマウスには見られない、80種類のタンパク質の状態に興味深い違いがあることを発見しました。この観察結果は、私たちがなぜ睡眠を必要とするのか、そしてなぜ眠気を感じるのかを分子レベルで理解する鍵となる可能性があると、科学者たちは示唆しています。

研究者たちは、睡眠中の脳内で起こる多くのことを概説することができます。ニューロン間の接続が変化します。脳波計で記録すると、睡眠不足の脳は、十分に休息した脳よりも高いピークと低い谷を持つ低波を生成します。体は、眠気を催す物質と覚醒させる物質を生成します。睡眠は学習を助け、1日の驚くほど多くの時間を活動停止状態にしますが、生存に不可欠です。睡眠を長期間取らないと、死に至る可能性が高いのです。

しかし、驚くほど不明瞭なのは、睡眠が具体的に何をするのか、そして脳がどのようにして覚醒時間を記録するのかということです。おそらく、睡眠の必要性を体内に記録するメカニズムは、睡眠中に回復するあらゆるプロセスと関連していると考えられます。

新たな結果は、生化学的アプローチ、具体的には、特定された80種類のタンパク質（およびおそらく他のタンパク質）へのリン酸化（リン酸基の付加）を調べることで、この問題の手がかりが見つかる可能性があることを示唆しています。リン酸化は一般的にタンパク質の活性を抑制したり、何らかの形で調節したりするので、今回のケースでは、リン酸化がこれらのタンパク質の一部の機能を変化させている可能性があります。

睡眠不足でリン酸化が増加

研究者たちは、 Sik3変異を持つマウス（彼らはSleepyマウスと名付けている）のリン酸化を調べることが有益かもしれないと既に考え、実験を開始した。Sik3はリン酸基を付加する酵素をコードしており、Sleepyマウスの変異はこの酵素を過剰活性化させ、通常よりも多くのリン酸基を付加させる可能性がある。この眠気は「これらの変異マウスの脳におけるリン酸化に何らかの異常、あるいは変化が生じていることを示している」と、論文の共著者であり、テキサス大学サウスウェスタン校と筑波大学の教授で、最近北京の国立生物科学研究所に異動したQinghua Liu氏は述べている。

実験では、Sleepyマウスと通常のマウスを、十分に休息したマウスと様々な睡眠不足状態にあるマウスで比較しました。研究者たちはまず、睡眠不足マウスとSik3変異マウスの脳内で、類似したリン酸化酵素のサブセットが活性化していることを発見しました。次に、脳内のリン酸化タンパク質すべてを調べたところ、ほぼ同じタンパク質が存在するにもかかわらず、その標識が異なっていることを発見しました。Sleepyマウスと通常のマウスは互いに大きく異なっており、睡眠不足マウスと十分に休息したマウスも同様でした。特に、睡眠不足マウスではリン酸化がより顕著でした。一方、 Sleepyマウスでは、通常のマウスよりもリン酸化がより顕著なタンパク質が多く存在し、一方でリン酸化がより低いタンパク質も存在しました。

合計80種類のタンパク質が、Sik3欠損マウスと睡眠不足マウスの両方で対照群よりも多くリン酸化されていました。研究者らはこれらを「睡眠ニーズ指標リン酸化タンパク質」（SNIPP）と名付けました。追跡実験では、マウスの覚醒時間が長いほど、これらのタンパク質のリン酸化がより多くなることを発見しました。

興味深いことに、タンパク質の約80%、つまり69種類がシナプス、つまりニューロン同士が接続する場所に関与しています。これは脳全体と比較してシナプスタンパク質の割合がはるかに高いことを示し、睡眠研究の分野で盛んに議論されている、シナプスの調節と睡眠の関連性を示唆しています。

シナプス恒常性仮説と呼ばれる理論は、覚醒状態は学習や新しい記憶の形成を通してシナプス結合を形成する一方、睡眠状態はそれらの結合の一部を削減または弱め、重要な記憶を統合・強化することを示唆しています。いくつかの研究では、睡眠は覚醒時のシナプス活動を高めるための準備を整えると示唆されています。シナプス恒常性仮説の提唱者の一人であるウィスコンシン大学マディソン校およびウィスコンシン睡眠・意識研究所の教授、キアラ・シレリ氏は、この新しい論文について「睡眠の必要性がシナプス活動に関連していることを示す強力な証拠です」と述べています。

この過剰なリン酸化が脳内で具体的に何をもたらすのか、そしてなぜ覚醒状態がリン酸化を引き起こすのかは、まだ解明されていません。リン酸化が各SNIPPの効果をどのように変化させるのかはまだ分かっていません。しかし、シナプシン1と呼ばれるSNIPPは、リン酸の変化が何をもたらすかを示す興味深い例です。

シナプスでは、「上流」のニューロンに神経伝達物質の小さな泡状の小胞が多数存在し、遠くからの信号を待ち構えています。信号が来ると、小胞はニューロンの膜に急行し、内容物をシナプス間隙に放出します。そして、それはもう一方のニューロンに受け取られ、メッセージを伝えます。シナプシン1はこれらの小胞の表面に位置しており、リン酸化されると膜にさらに近づきます。

「おそらく、これらの変化はニューロンを活動に備えさせるためなのかもしれません」と、ハーバード大学医学部の睡眠研究者で臨床神経科医のトーマス・スキャメル氏は示唆する。一つの解釈として、覚醒によってシナプス付近の神経伝達物質のレベルが減少するということが考えられる。その場合、リン酸化は新たな供給源の供給を制御すると同時に、脳の活動度を何らかの形で示すことになるかもしれない。（ただし、睡眠の必要性のように生物学的に包括的なプロセスを、単一のタンパク質だけで完全に説明できる可能性は低いことに注意する必要がある。）

睡眠の必要性に関する分子論的説明

ハーバード大学医学部の神経学教授でもあるジョナサン・リプトン氏は、「全体として、これは素晴らしい論文だ」と述べた。研究者たちが、長年の目標である睡眠欲求の分子レベルでの説明を目指していることは明らかだ。「この研究で彼らが主張しているのは、特定のシナプスタンパク質シグナル伝達カスケードにおける変化が、睡眠欲求の増加と相関しているように見えるということです」とリプトン氏は述べた。「分子レベルと神経レベルで、脳の睡眠欲求は何なのか？明らかに、彼らが取り組んでいるのはまさにそこなのです。」

リプトン氏とスキャメル氏は共に、マウスを覚醒状態に保つために用いられた方法（振動台に置くこと）がストレスフリーではないという事実に懸念を表明している。ストレスのないマウスとの比較にSleepyマウスを用いることでこの問題への対処に役立つはずだが、スキャメル氏は、ケージを軽く叩いたり、何か遊び道具を与えたりするなど、より穏やかな方法で睡眠を奪ったマウスにも、同様のSNIPPが現れるのではないかと疑問を呈した。

研究が示唆するように、リン酸化が睡眠欲求の追跡に重要であることが証明されたとしても、それは全体像の一部に過ぎないかもしれない。ヘルシンキ大学の睡眠研究者であるターヤ・ポルッカ＝ヘイスカネン氏によると、睡眠不足時のシナプスにおいて非常に重要であると考えられているタンパク質の一つ、Homer-1はSNIPPのリストに全く登場していない。Homer-1がリン酸化からシグナルを受け取っていないとすれば、複数の異なる生化学的システムが、おそらく相補的に、睡眠欲求に対応している可能性を示唆している。しかしながら、研究者らが用いた方法は必ずしも全てのタンパク質のリン酸化変化を捉えるわけではないため、Homer-1にも何らかの差異が残っている可能性がある。

今後、研究者たちはSNIPPの働きをより詳しく調べる予定です。80種類のうち12種類は、マウスやヒトにおいて何らかの形で睡眠を変化させることが既に分かっていますが、その他多くの種類はまだ調査されていません。リュー氏は、これら80種類は、脳における睡眠と覚醒の記録に関わる因子を特定するための候補リストに過ぎないと述べています。「そのうちのいくつかは、他のものよりも重要なのかもしれません。…他のものは、単に付随しているだけかもしれません。ですから、これらを解明するには、今後の研究が必要です。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。