上原記念生命科学財団研究報告集, 27 (2013)

上原記念生命科学財団研究報告集, 27 (2013) 25. 時間栄養学と時間運動学の視点による肥満 糖尿病予防法の開発 柴田重信 Key words: 時間栄養学, 時間運動学, メタボリックシンドローム, 食事療法, 運動療法 早稲田大学理工学術院先進理工学部電気 情報生命工学科生理 薬理研究室 緒言メタボリックシンドロームによる糖尿病およびその予備軍の急増が社会問題になっている. 食事療法と運動療法が重要であることは周知の事実である. 様々なプログラムが用意されているが, その実践が難しい. 本研究課題では, この2つの予防 治療法に 時間生物学 の知識を導入し, 効率的な方法を提供しようと考えている. 夜食は太る, まとめ食いは太る といったことが聞かれるが, このことは食事のタイミングが肥満に与える可能性を述べたことになる. 栄養物の吸収 消化 代謝に関わる酵素はほとんど体内時計の支配下にあるので, 食物 栄養の働きに体内時計が深く関わっている可能性は十分に考えられる. 一方で規則正しい食餌がマウスの時計遺伝子発現リズムをリセットできることもわかった 1,2). すなわち, 本研究課題は 時間栄養学 を提案し, 特にメタボリックシンドロームの予防と治療に役立つ基礎研究をマウスで行うことである. また, 骨格筋の赤筋に時計遺伝子が発現していることから, 肥満防止に欠かせない有酸素運動のより有効な時間帯が期待されるし, 一方で運動が体内時計をリセットすることも知られているので, 時間運動学 の視点も欠かせない. すなわち, 本研究課題は, 肥満 糖尿病の予防 治療戦略に 時間栄養学 時間運動学 の両者を組み込み, マウスによる基礎研究を通して, 臨床応用に役立てることである. 方法 結果および考察 1. 時間栄養学高脂肪食の朝晩 1 日 2 食において, 夕食の比率を上げると肥満になりやすいことを見出した 3). そこで, 高脂肪食と普通食の組み合わせと, それを食べるタイミングや時間あたりの摂取量が肥満や時計遺伝子発現リズムに与える影響について調べた.ICR オスマウスを明暗 12 時間 :12 時間で飼育し, 昼間と夜間に高脂肪食, もしくは普通食をそれぞれ2 時間,4 時間,8 時間与えた. 昼間に高脂肪食を与えるか夜間に与えるかの違いで2 群になるので, 全体で,2 3の6 群を用意した. 体重増加, 内臓脂肪量, 空腹時インスリン, レプチン量を測定した. その結果, 昼 夜の各 4 時間給餌は,2 時間や8 時間給餌群に比較して, 肥満度合が低かった. また, レプチン, インスリン量も肥満度合いと一致し,2 時間や8 時間給餌は高い傾向が見られた. これらの変化は高脂肪食を昼間に摂取しても夜間に摂取しても見られた. 一方, 高脂肪食を自由食餌させると, より肥満傾向になることから,2,4,8 時間と時間制限することが, 肥満防止になることがわかった. また,2 時間という短時間給餌では, いわゆる早食いが起き, その結果として肥満が顕著になると思われる. 次に In vivo imaging system (IVIS) を用い,Per2::Luciferase ノックインマウスを用いて, 肝臓の Per2 遺伝子発現リズムの位相を調べた 4,5). 昼間に高脂肪食, 夜間に普通食を設定すると,2,4,8 時間のいずれの群でもマウスは高脂肪食を好むため, 昼間にもかかわらずこの時間帯の食餌量が増加し, そのことが肝臓の Per2 時計遺伝子の位相を前進させ, いわゆる時差ボケ状態になることがわかった ( 図 1). 1

図 1 高脂肪食の摂取タイミングが肥満と体内時計の位相に与える影響. 正常食 灰色 もしくは高脂肪食 赤色 の摂餌タイミングと摂餌時間のプロトコール A, 内臓脂肪量 B および血中レプチン量 C におよぼす影響. ２時間摂餌は太りやすい 昼間の高脂肪食摂取は肝臓の時計の位相を前進させる D. ２ 時間運動学 ICR オスマウスを用意し 以下の４群で実験を行った 高脂肪食を 4 週間自由食餌させながら 輪回し運動を 1 自由にできる群 自由運動群 2 活動期の始めの４時間できる群 朝運動群 3 活動期の終わりの４時間できる 群 夕運動群 4 輪回しができない群 運動なし群 を用意した 図 2 図 2 運動の時間帯 タイミング が高脂肪食性の肥満に及ぼす影響. 夕運動は総摂食量, 総回転数に影響せず, 朝運動より体重増加を抑制した. 2

その結果 運動なし群 が一番太り 自由運動群 と 朝運動群 は類似した体重を示したが 夕運動群 は体 重増加が抑制されていた 図 2 一方 朝運動群 と 夕運動群 の間に 食餌量 回転数には大差はなかったの で エネルギー代謝に違いがある可能性を調べた そこで 朝運動群 と 夕運動群 については 代謝測定ケージ においてエネルギー代謝リズムを測定した 図 3 図 3 呼吸商や消費カロリーの 1 日のリズムに対する朝運動および夕運動の効果. 両運動ともに消費エネルギーは同じであったが, 夕運動は非活動期にいわゆる脂肪燃焼作用が顕著に見られた. 統計処理は Tukey-Kramer でおこなった. １時間あたりのエネルギー消費量と 呼吸商を調べた結果 朝運動群 と 夕運動群 では違った様相を示した 朝運動群 と 夕運動群 のエネルギー消費は運動時刻をピークとしたリズムが観察されたが １日当たりにすると 両者に差は見られなかった 一方 呼吸商は特に非活動期を中心として 朝運動群は常に１近い値を示したのに対し て 夕運動群は 0.75 付近を示し １日の平均でも夕運動群が有意に低値を示した このことは 夕運動は朝運動に比 較して高脂肪食で摂取した脂肪を十分に代謝でき そのことが脂肪蓄積 肥満を防止できたものと思われる 夕運動群 は 自由食餌にもかかわらず 餌を朝方摂食している可能性があり 朝運動群は逆に餌を夕方摂食している可能性があ り このような餌の摂り方も肥満に影響する可能性が考えられた ３ 時間栄養学と時間運動学の組み合わせ 以前の研究や他の研究報告から食餌のタイミングが肥満予防には重要であることが分かっており 6,7) 上記の研究か ら運動のタイミングも重要であることがわかった そこで 食餌のタイミングと運動のタイミングを組み合わせた実験 を行った 今回は 運動は夕運動４時間のみに固定し 1 高脂肪食 3.5 g/day を暗期直後に与える群 食後 運動 群 2 夕運動と同じタイミングで与える群 食餌 運動同期群 3 夕運動４時間終了後に与える群 運動後 食餌 群 を用意した またコントロール群として 4 運動はなく朝食のみ与える群 朝食 運動なし群 5 運動はなく 夕食のみ与える群 夕食 運動なし群 の５群を用意した まず体重増加を調べた 図 4 3

図 4 高脂肪食の摂食タイミングが輪回しによる肥満予防効果に及ぼす影響. 摂餌と運動の同時負荷あるいは食餌後の運動は, 顕著な肥満予防効果を示した 統計処理は Tukey-Kramer で おこなった まず 朝食 運動なし群 と 夕食 運動なし群 はまったく類似した体重増加を示したので 図 4 では 朝食 運動 なし群 のみ示した 朝食 運動なし群 もしくは 夕食 運動なし群 はいずれも顕著な体重増加が観察された 食 後 運動群 食餌 運動同期群 は 運動後 食餌群 より 体重増加が顕著に抑制された しかしながら 輪回し回 転数はこの３群間で差は見られなかった 以上の結果から 肥満防止には運動する前に食餌をすることにより 食餌で 摂取した脂肪が運動により消費されるものと考えられる 一方 運動後に食餌すると 高脂肪成分が消費されず 結果 として肥満に結びつくものと考えられる. 共同研究者 本研究の共同研究者は 早稲田大学理工学術院先進理工学部 電気 情報生命工学科 生理 薬理研究室の原口敦嗣 およ び佐々木裕之である 文 献 1 Hara, R., Wan, K., Wakamatsu, H., Aida, R., Moriya, T., Akiyama, M. & Shibata, S. : Restricted feeding entrains liver clock without participation of the suprachiasmatic nucleus. Genes Cells, 6 : 269-278, 2001. 2 Hirao, A., Nagahama, H., Tsuboi, T., Hirao, M., Tahara, Y. & Shibata, S. : Combination of starvation interval and food volume determines the phase of liver circadian rhythm in Per2::Luc knock-in mice under two meals per day feeding. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol., 299 : G1045-1053, 2010. 3 Fuse, Y., Hirao, A., Kuroda, H., Otsuka, M., Tahara, Y. & Shibata, S. : Differential roles of breakfast only (one meal per day) and a bigger breakfast with a small dinner (two meals per day) in mice fed a high-fat diet with regard to induced obesity and lipid metabolism. J. Circadian Rhythms, 10 : 4, 2012. 4 Tahara, Y., Kuroda, H., Saito, K., Nakajima, Y., Kubo, Y., Ohnishi, N., Seo, Y., Otsuka, M., Fuse, Y., Ohura, Y., Komatsu, T., Moriya, Y., Okada, S., Furutani, N., Hirao, A., Horikawa, K., Kudo, T. & Shibata, S. : In vivo monitoring of peripheral circadian clocks in the mouse. Curr. Biol., 22 : 1029-1034, 2012. 5 Kuroda, H., Tahara, Y., Saito, K., Ohnishi, N., Kubo, Y., Seo, Y., Otsuka, M., Fuse, Y., Ohura, Y., Hirao, A. & Shibata, S. : Meal frequency patterns determine the phase of mouse peripheral circadian clocks. Sci. Rep., 2 : 711, 2012. 4

6) Bray, M. S., Tsai, J. Y., Villegas-Montoya, C., Boland, B. B., Blasier, Z., Egbejimi, O., Kueht, M. & Young, M. E. : Time-of-day-dependent dietary fat consumption influences multiple cardiometabolic syndrome parameters in mice. Int. J. Obes. (Lond), 34 : 1589-1598, 2010. 7) Wu, T., Sun, L., ZhuGe, F., Guo, X., Zhao, Z., Tang, R., Chen, Q., Chen, L., Kato, H. & Fu, Z. : Differential roles of breakfast and supper in rats of a daily three-meal schedule upon circadian regulation and physiology. Chronobiol. Int., 28 : 890-903, 2011. 5