北大、冬眠哺乳類が冬眠明けの春の環境を想定した仕組みを持つことを解明

北海道大学(北大)は10月18日、冬眠する哺乳類の「シリアン(ゴールデン)ハムスター」(以下、ハムスター)において、冬眠を経験すると体温の日内変動リズム(日周リズム)が夏型になることを見出したと発表した。

同成果は、北大大学院環境科学院の中川哲大学院生(北大DX博士人材フェローシップ生)、同・大学低温科学研究所の山口良文教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、英国王立協会の刊行する生物学に関する全般を扱う学術誌「Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences」に掲載された。

冬眠前には冬型になった体温のリズムが、冬眠を終えるとすぐに夏型に戻る。ハムスターの冬眠には、体内のリズムを来るべき春に合わせる仕組みも含まれていた(出所:北大プレスリリースPDF)

ハムスターのような動物が冬眠から明けると、冬眠前の冬季の日長である短日とは異なる、夏季の長日に近付いた昼夜の明暗サイクルにいきなりさらされることになる。このような冬眠前後における環境変化に対し、冬眠を終えた哺乳類がどのように適応しているのかは不明だった。

そこで研究チームは今回、気温や明暗などの操作で人工的に冬眠させたハムスター(冬眠個体)から取得した長期間・高解像度の体温データを用いて、冬眠前後の体温日周リズムの変化を調べることにしたという。なお、一部の「不冬眠個体」のハムスターも比較検証に用いられた。

まず冬眠個体において、冬眠期とその前後の日周リズムが調べられると、冬眠開始直前まであった日周リズムは冬眠期には見られなくなり、終了直後に回復することが確認されたという。また、体温日周リズムの位相の推移が調べられたところ、冬眠開始前には短日に同調した位相となった後、長期間の冬眠を終えた直後に約4時間前進する位相シフトを示すことが明らかにされた。この一度前進した日周リズムの位相はその後、再び短日に同調したという。一方、不冬眠個体でも短日への同調は見られたが、冬眠個体の冬眠明けに見られた位相シフトは、まったく観察されなかったとした。

日周リズムの位相シフトは、時差のある地域への移動による時差ぼけの解消や、日長の季節変化に伴って生じる。しかし今回の実験では、光の日長や位相は冬眠前後で一定だったため、冬眠明けにみられる位相シフトは、外界環境には依存せずに自発的に生じたことが示唆されたとする。

また、冬眠終了後に位相前進して回復した体温日周リズムは、短日寒冷の冬条件が継続しているにも関わらず、夏条下で見られる夏型に戻っていたことから、冬眠を経験すると体温日周リズムは、自発的に長日同調した夏型へと変化することが示されたとした。

冬眠の際の体温変化。ハムスターは夏条件から冬条件に移されると、数か月の冬眠準備期間を経て、低体温の不動状態である深冬眠と、そこから一時的に体温が正常(37度付近)まで回復した中途覚醒を繰り返す冬眠期となる。一定期間冬眠すると自発的に終了する(出所:北大プレスリリースPDF)

続いて、何がこの夏型への体温リズム変化を担っているのかが調べられた。最後の深冬眠から目覚めた時刻は個体ごとに異なり、関係がないことが判明。次に、光や明暗周期が冬眠終了時の体温リズムに与える影響を評価するため、寒冷環境で冬眠中のハムスターが恒暗条件へ導入された。その結果、恒暗条件下でも、冬眠終了に続く体温の日周リズムの回復が見られたという。明暗周期がなくても生じたことから、内因性の「概日リズム」によるといえるとした。また、回復した体温日周リズムの位相は、個体間で異なっていたとする。

以上の結果から、冬眠明けの体温日周リズムの回復は、概日リズムの回復によると同時に、その位相は光のタイミングが夏型の体温日周リズムに変換されることによることが示された。つまり、冬眠を経ることで、ハムスターの明暗周期に対する応答が夏型へと変化するといえるとした。

冬眠に伴う体温の日周リズムの変化。体温は24時間周期で変動する日周リズムを刻む。ハムスターは、秋～冬などの日照時間が短い場合(短日)に冬型を、春～夏などの日照が長い場合(長日)に夏型のリズムを取る。今回、冬眠の際にはこの体温日周リズムが消失すること、さらに、外界は短日の冬条件にも関わらず冬眠を終了した際には、夏型のリズムが回復することが発見された(出所:北大プレスリリースPDF)