哺乳類が眠気や覚醒を引き起こすとき、特定の酵素が交互に働いているというメカニズムを、東京大学などの研究グループがマウスでの実験で明らかにした。これまで睡眠の状態が様々な疾患に関与していることや、特定の疾患に罹患すると睡眠障害を引き起こすことは分かっていたものの、眠気や目覚めに関する基本的な仕組みは解明されていなかった。今後、「深い睡眠を得る薬」といった新しいタイプの睡眠薬などへの応用が考えられるという。
東京大学大学院医学系研究科機能生物学専攻システムズ薬理学分野の上田泰己教授らの研究グループは、睡眠のメカニズムについて、脳の神経細胞に着目して研究を進めてきた。先行研究でショウジョウバエの睡眠コントロールに関与していると確認できた物質が、哺乳類においても同様の仕組みかどうかを確かめることにした。
今回、マウスの脳神経に存在するプロテインキナーゼA（PKA）と呼ばれるタンパク質リン酸化酵素が「覚醒」を促し、プロテインホスファターゼ1（PP1）とカルシニューリンと呼ばれる2つの脱リン酸化酵素が「眠気」を起こし、睡眠を促しているのではないかということを突き止めた。
睡眠は、脳が活発に動く浅い眠りのレム睡眠と、脳の疲労を回復させるための深い眠りであるノンレム睡眠が交互に起こっているとされる。PKAとPP1、カルシニューリンという酵素について、睡眠への寄与度を調べるため、遺伝子の特定の機能を無くすノックアウトを施した遺伝子改変マウスを作ったり、ウイルス由来の運搬体であるウイルスベクターを用いたりして、酵素の働きを操ることで睡眠の様子を観察した。
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「クリスパー・キャス9」という技術を用いてPKAによる活性化は覚醒をもたらすことを示したグラフ。デルタパワーは「眠気」の指標とされる（東京大学提供）
遺伝子改変の実験では、PKAが働くようにすると、「覚醒」を起こし、眠気は減少していた。また、PP1を調整する遺伝子をノックアウトしたマウスも同様にノンレム睡眠が減って、眠気が弱まっていた。カルシニューリンを後天的にノックアウトしたマウスはノンレム睡眠が減り、眠気も弱くなることが確認できた。なお、カルシニューリンは先天的にノックアウトすると個体が死んでしまうため、後天的なノックアウトを施した。
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カルシニューリンを活性化することで眠気が増加する。カルシニューリンは興奮性シナプス後部で活性していることも分かった（東京大学提供）
ウイルスベクターの実験では、PKAを阻害したところ、ノンレム睡眠が増加し、強い眠気が現れていた。逆に、活性化させるとノンレム睡眠が減っていることも確認できた。これらの物質は神経の中でも興奮性シナプスの後部で発現することも分かった。つまり、PP1とカルシニューリンは、興奮性シナプス後部でPKAと競合することにより、眠気と覚醒のバランスをとっているといえる。
上田教授は「睡眠を促進するためにPP1とカルシニューリンの2つの物質がなければいけない理由はまだ分かっていない。また、これらの物質が他の部位でどのように働くかも分かっていない。睡眠薬はニーズが強い。老化は眠りが浅くなるとされるが、睡眠を深くする薬は作れていないので、そういった薬ができると良い」とした。
研究は科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究（ERATO）の助成を受けて行われた。成果は2024年11月6日に英科学誌ネイチャーに掲載され、東京大学などが同7日に発表した。
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