Identification of novel genes regulating skeletal muscle plasticity by using the space environment.

• Project/Area Number: 22KJ0397
• Project/Area Number (Other): 22J10954 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 59040:Nutrition science and health science-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 林 卓杜 筑波大学, 医学医療系, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 微小重力 / 月面重力 / 筋萎縮 / 筋線維タイプ / 骨格筋幹細胞 / 骨格筋 / 宇宙 / 筋再生

Outline of Research at the Start

微小重力環境下において、ヒラメ筋は筋萎縮や筋線維タイプ移行を引き起こす。これまでに国際宇宙ステーションにおいて微小重力下や遠心機を用いて月面重力下（1/6 g）で飼育したマウスのヒラメ筋を解析してきた。ヒラメ筋重量は、月面重力と地上対照は同程度であり、微小重力で見られる筋重量の減少は見られなかった。今後、筋線維タイプの組織評価やRNAシークエンスによる遺伝子発現プロファイルを比較することで、重力に依存する筋萎縮や筋線維タイプ移行のメカニズムを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

筋線維は、収縮力や代謝能力の違いから速筋線維と遅筋線維に分類され、後肢骨格筋の内、ヒラメ筋は遅筋線維を多く含み抗重力筋とも呼ばれる。ヒラメ筋は重力変化に過敏であり、微小重力下では筋萎縮や速筋化を引き起こす。そこで、重力変化のみが骨格筋に与える影響を解析するために、国際宇宙ステーションにおいて微小重力や遠心機を用いて月面重力下（1/6 g）を作出できる特殊なシステムによって飼育したマウスのヒラメ筋を解析してきた。このシステムはコントロール群と実験群を重力環境以外、同一の環境で飼育でき、純粋な重力変化のみの影響に焦点を当てることが可能となる。
月面重力の影響を解析したところ、月面重力におけるヒラメ筋重量は地上対照と同程度であり筋萎縮は生じなかった。一方で筋タイプ変化を解析したところ、月面重力は速筋化を引き起こした。つまり、骨格筋の量的変化と質的変化を制御する重力閾値はそれぞれ別々に存在していることが明らかとなった。また、ヒラメ筋のRNAseqによる網羅的遺伝子変動解析を行ったところ、月面重力と微小重力の遺伝子発現変動パターンは類似しているものの、一部の遺伝子群については微小重力特異的に変動していることが明らかとなった。
微小重力によって遺伝子発現変動し、骨格筋における機能が未知であったDusp13について着目してきた。既存の報告やデータベースを用いて再解析を進めたところ、骨格筋の分化や成熟に重要である転写因子MyoDに制御されていることを見出した。またアデノウイルスベクターによるDusp13の過剰発現はMyogeninのタンパク発現を誘導し骨格筋幹細胞において早熟な分化を誘導することが分かった。一方で単独欠損マウスには表現型が見られなかったものの、同一ファミリーのDusp27との二重欠損マウスの表現型では、正常に筋の成熟はするが、損傷からの筋再生が遅れることを見出してる。

Research Products

• [Journal Article] Dual-specificity phosphatases 13 and 27 as key switches in muscle stem cell transition from proliferation to differentiation (2023)
  • Author(s): Hayashi Takuto、Sadaki Shunya、Tsuji Ryosuke、Okada Risa、Fuseya Sayaka、Kanai Maho、Nakamura Ayano、Okamura Yui、Muratani Masafumi、Wenchao Gu、Sugasawa Takehito、Mizuno Seiya、Warabi Eiji、Kudo Takashi、Takahashi Satoru、Fujita Ryo
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2023.12.25.570044
  • Open Access
• [Journal Article] Lunar gravity prevents skeletal muscle atrophy but not myofiber type shift in mice (2023)
  • Author(s): Hayashi T、Fujita R、Okada R、Hamada M、Suzuki R、Fuseya S、Leckey J、Kanai M、Inoue Y、Sadaki S、Nakamura A、Okamura Y、Abe C、Morita H、Aiba T、Senkoji T、Shimomura M、Okada M、Kamimura D、Yumoto A、Muratani M、Kudo T、Shiba D、Takahashi S
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42003-023-04769-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large Maf transcription factor family is a major regulator of fast type IIb myofiber determination (2023)
  • Author(s): Sadaki Shunya、Fujita Ryo、Hayashi Takuto、Nakamura Ayano、Okamura Yui、Fuseya Sayaka、Hamada Michito、Warabi Eiji、Kuno Akihiro、Ishii Akiko、Muratani Masafumi、Okada Risa、Shiba Dai、Kudo Takashi、Takeda Shin’ichi、Takahashi Satoru
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 42 Issue: 4 Pages: 112289-112289
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112289
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 骨格筋幹細胞の増殖期から筋分化期へ運命決定する因子の同定 (2024)
  • Author(s): 林 卓杜、定木 駿弥、辻 諒介、工藤 崇、高橋 智、藤田 諒
  • Organizer: 第8 回若手による骨格筋細胞研究会
• [Presentation] 月重力1/6 gは微小重力による筋萎縮を抑制するが、筋線維タイプの変化は抑制しない (2023)
  • Author(s): 林 卓杜、藤田 諒、岡田 理沙、濱田 理人、布施谷 清香、金井 真帆、井上 由理、定木 駿弥、村谷 匡史、蕨 栄治、工藤 崇、芝 大、高橋 智
  • Organizer: 第70回 日本実験動物学会総会
• [Presentation] 微小重力環境を利用した新規骨格筋制御遺伝子の探索 (2023)
  • Author(s): 林 卓杜、藤田 諒、岡田 理沙、濱田 理人、布施谷 清香、金井 真帆、井上 由理、定木 駿弥、村谷 匡史、蕨 栄治、工藤 崇、芝 大、高橋 智
  • Organizer: 第9回 日本筋学会学術集会
• [Presentation] lunar gravity is sufficient to prevent skeletal muscle atrophy, but not muscle myofiber type transition in mice (2023)
  • Author(s): Takuto HAYASHI
  • Organizer: 74th International Astronautical Congress (アゼルバイジャン)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lunar gravity prevents skeletal muscle atrophy, but not muscle fiber type transition (2022)
  • Author(s): Takuto Hayashi1, Ryo Fujita2, Risa Okada3, Michito Hamada1, Riku Suzuki1, Sayaka Fuseya1, James Leckey1, Maho Kanai1, Yuri Inoue1, Shunya Sadaki1, Ayano Nakamura1, Yui Okamura1, Chikara Abe4, Hironobu Morita5, Masafumi Muratani6, Takashi Kudo1, Dai Shiba3, Satoru Takahashi1
  • Organizer: American Astronautical Society’s (AAS) 15th Wernher von Braun Memorial Symposium（Hantuvil）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月重力による骨格筋可塑性への影響 (2022)
  • Author(s): 林卓杜、藤田諒、岡田理沙、濱田理人、布施谷清香、金井真帆、井上由理、定木駿弥、村谷匡史、蕨栄治、工藤崇、大、高橋智
  • Organizer: 第95回(2022年度)日本生化学会大会（名古屋）
• [Book] 週刊医学のあゆみ (2024)
  • Author(s): 林卓杜, 工藤崇, 高橋智
  • Publisher: 医歯薬出版株式会社
• [Book] 週刊医学のあゆみ (2023)
  • Author(s): 林卓杜, 工藤崇, 高橋智
  • Publisher: 医歯薬出版株式会社
• [Book] 生化学会誌 (2022)
  • Author(s): 林卓杜 工藤崇 高橋智
  • Total Pages: 939
  • Publisher: 公益社団法人 日本生化学会
• [Book] 週刊医学のあゆみ (2022)
  • Author(s): 林卓杜 工藤崇 高橋智
  • Publisher: 医歯薬出版株式会社