Molecular rehabilitation of mitochondrial function towards preventing muscle atrophy

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H04960
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 二川 健 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(医学系), 教授 (20263824)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 曽我部 正博 名古屋大学, 医学系研究科, 特任教授 (10093428) ; 鈴木 穣 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40323646) ; 宮本 賢一 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(医学系), 教授 (70174208)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 筋萎縮 / 遅筋の速筋化 / Egr / アコニターゼ / 国際宇宙ステーション

Outline of Annual Research Achievements

長寿命社会を実現した我が国では、高齢者の運動機能の維持が大きな社会問題となっている。なかでも、「寝たきり」は高齢者のQOLを低下させるだけでなく、介護者の過酷な負担、社会保障費の急激な増大をもたらしている。この「寝たきり」の原因は、筋肉の萎縮・拘縮である。我々は、JAXA(宇宙航空研究開発機構)と共同で、筋肉の萎縮・拘縮を防ぐには、メカノセンサーであるミトコンドリアの機能回復が必須であることを見出した。本研究では、無重力や寝たきりなどUnloadingによる筋肉の萎縮から拘縮に到る分子メカニズムを解明し、ミトコンドリアの機能回復を可能とする機能性食材の摂取と併用する新規リハビリテーション法の有効性を実証した。
具体的には、以下のことを明らかにした。
１．筋萎縮には、ミトコンドリア関連小胞体(Ｍａｍ)部位から発生する酸化ストレスが重要な働きをしていることを見いだした。この酸化ストレスは、EGR転写因子を介してユビキチンリガーゼCbl-bの発現を高める。Cbl-bはIGF-1による筋増殖シグナルで重要なIRS-1をユビキチン化し分解を亢進する。その結果、筋の容積を減弱させた。一方、酸化ストレスはTCA回路のアコニターゼの不活化し、ミトコンドリア断裂と遅筋タイプMysin重鎖分解を促進した。その結果、筋線維タイプが遅筋型から速筋型に変化した。
２．国際宇宙ステーション（無重力環境、宇宙放射線曝露環境）で培養した筋細胞では、筋萎縮に関連する遺伝子の幾つかに転写ミスが起こることを世界で初めて発見した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に示した１）については、現在論文を投稿中である。２）についてもほぼ実験を終え、現在論文を執筆中であるので、ほぼ計画通りに研究を進行できていると判定した。

Strategy for Future Research Activity

１．MAMの構造異常とミトコンドリア代謝異常の連関：寝たきりモデル動物の萎縮筋または拘縮筋からの(生検)サンプルのカルシウムシグナルやリン酸代謝を解析する。培養筋細胞では、MAM構造の異常とMAMに多く存在するカルシウムチャネルの活性化との相関を分子レベルで解析する。機能障害(膜電位の下がった)ミトコンドリアは、鉄シャペロンであるフラタキシンや酸化ストレス抑制作用のある UCP３の過剰発現により回復するので、これらの強発現がMAM構造に与える影響を解析する。逆に、モデル動物の萎縮筋または拘縮筋にカルシウムキレート剤、抗酸化剤を投与し、ミトコンドリアの機能異常が起こるかどうか、Mitofusin-2のリン酸化やユビキチン化がどうなるかを解析する。２)のリハビリテーションとの併用療法を探る鍵となる知見を得る。
２．分子リハビリテーションとマクロリハビリテーション：リハビリテーションを積極的に行っている患者とあまり行っていない患者の大腿四頭筋生検サンプルのMAM構造を解析する。リハビリテーションが実際のミトコンドリア機能回復に寄与しているかどうかを確認する。お年寄りが寝たきりになる原因疾患としては、骨折が最も多い。ギプスを装着している約 1 ヶ月の間は、骨折した箇所の筋肉に対してはリハビリを施しようがない。この間のMAMの構造変化を１の抗酸化栄養素などで予防することができれば、ギプスを外したあと直ぐにリハビリテーションが可能となる。そのような栄養療法とリハビリの併用療法のプログラムを開発する。
３．MAM構造異常と転写異常：平成 ２８ 年度の解析を引き続き行うとともに、寝たきり患者とそのモデル動物の萎縮筋または拘縮筋サンプルのトランスクリプトーム解析を実施し、無重力による転写の読み間違いが地上でも再現できることを確認する。

Research Products

• [Journal Article] Nutritional counseling regulates interdialytic weight gain and blood pressure in outpatients receiving maintenance hemodialysis (2017)
  • Author(s): Sakai A, Hamada H, Hara K, Mori K, Uchida T, Mizuguchi T, Minaguchi J, Shima K, Kawashima S, Hamada Y, Nikawa T*.
  • Journal Title: J Med Invest Volume: 64 Pages: 129-135
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development and performance evaluation of a three-dimensional clinostat synchronized heavy-ion irradiation system (2017)
  • Author(s): Ikeda H, Souda H, Puspitasari A, Held KD, Hidema J, Nikawa T, Yoshida Y, Kanai T, Takahashi A*
  • Journal Title: Life Sci Space Res Volume: 12 Pages: 51-60
  • DOI: doi: 10.1016/j.lssr.2017.01.003.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modulation of cutaneous extracellular collagen contraction by phosphorylation status of p130Cas (2017)
  • Author(s): Takeya M, Okumura Y, Nikawa T*
  • Journal Title: J Physiol Sci Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metabolic suppression by 3-iodothyronamine induced muscle cell atrophy via activation of FoxO-proteasome signaling and downregulation of Akt1-S6K signaling (2017)
  • Author(s): Ju H, Kim T, Chung CM, Park J, Nikawa T, Park K, Choi I*
  • Journal Title: Biol Pharm Bull Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: doi: 10.1248/bpb.b16-00653.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinct effects of dietary whey peptide and soy protein on denervation-mediated muscle atrophy. (2017)
  • Author(s): Takagi M, Uchida T, Takatsu E, Kishimoto H, Ida K, Ishida Y, Ono-Ohmachi A, Morita Y, Kato K, Ochi A, Ohno-Maita A, Oarada M, Abe T, Teshima-Kondo S, Nakao R, Hirasaka K, Nikawa T*.
  • Journal Title: J Nutr Food Sci Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 8-Prenylnaringenin promotes recovery from immobilization-induced disuse muscle atrophy through activation of the Akt phosphorylation pathway in mice (2016)
  • Author(s): Mukai R, Horikawa H, Lin PY, Tsukumo N, Nikawa T, Kawamura T, Nemoto H, Terao J*
  • Journal Title: Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol Volume: 311 Pages: 1022-1031
  • DOI: doi: 10.1152/ajpregu.00521.2015.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dietary Supplementation with Isoflavones Prevents Muscle Wasting in Tumor-Bearing Mice (2016)
  • Author(s): Hirasaka K*, Saito S, Yamaguchi S, Miyazaki R, Wang Y, Haruna M, Taniyama S, Higashitani A, Terao J, Nikawa T, Tachibana K
  • Journal Title: J Nutr Sci Vitaminol Volume: 62 Pages: 178-184
  • DOI: doi: 10.3177/jnsv.62.178.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Preventive effect of dietary quercetin on disuse muscle atrophy by targeting mitochondria in denervated mice. (2016)
  • Author(s): Mukai R, Matsui N, Fujikura Y, Matsumoto N, Hou DX, Kanzaki N, Shibata H, Horikawa M, Iwasa K, Hirasaka K, Nikawa T, Terao J*
  • Journal Title: J Nutr Biochem Volume: 31 Pages: 67-76
  • DOI: doi: 10.1016/j.jnutbio.2016.02.001.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Capric Acid Up-Regulates UCP3 Expression without PDK4 Induction in Mouse C2C12 Myotubes. (2016)
  • Author(s): Abe T, Hirasaka K, Kohno S, Tomida C, Haruna M, Uchida T, Ohno A, Oarada M, Teshima-Kondo S, Okumura Y, Choi I, Aoyama T, Terao J, Nikawa T*.
  • Journal Title: J Nutr Sci Vitaminol Volume: 62 Pages: 32-39
  • DOI: doi: 10.3177/jnsv.62.32.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] UCP3 is associated with Hax-1 in mitochondria in the presence of calcium ion. (2016)
  • Author(s): Hirasaka K*, Mills EM, Haruna M, Bando A, Ikeda C, Abe T, Kohno S, Nowinski SM, Lago CU, Akagi K, Tochio H, Ohno A, Teshima-Kondo S, Okumura Y, Nikawa T.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: 472 Pages: 108-113
  • DOI: doi: 10.1016/j.bbrc.2016.02.075.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural analysis of the TKB domain of ubiquitin ligase Cbl-b complexed with its small inhibitory peptide, Cblin. (2016)
  • Author(s): Ohno A, Ochi A, Maita N, Ueji T, Bando A, Nakao R, Hirasaka K, Abe T, Teshima-Kondo S, Nemoto H, Okumura Y, Higashibata A, Yano S, Tochio H, Nikawa T*.
  • Journal Title: Arch Biochem Biophys Volume: 591 Pages: 1-7
  • DOI: doi: 10.1016/j.abb.2016.02.014.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Microgravity-induced signal transduction in skeletal muscle cells (2016)
  • Author(s): Takeshi Nikawa
  • Organizer: The 27th International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-10-13 – 2016-10-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 筋蛋白質代謝改善のための栄養学的アプローチ (2016)
  • Author(s): 二川健
  • Organizer: 第2回日本筋学会学術集会
  • Place of Presentation: 国立精神・神経医療研究センター（東京都・小平市）
  • Year and Date: 2016-08-05 – 2016-08-06
  • Invited
• [Presentation] Unloadingストレスによる筋細胞内シグナル・トランスダクション (2016)
  • Author(s): 二川健
  • Organizer: 第34回日本骨代謝学会学術集会／第3回アジア太平洋骨代謝学会議
  • Place of Presentation: 大阪国際会議場（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-07-21 – 2016-07-21
  • Invited
• [Presentation] Effects of dietary soy protein on skeletal muscle volume and strength in humans with various physical activities (2016)
  • Author(s): Takeshi Nikawa, Rie Hashimoto, Katsuya Hirasaka, Chiaki Yano, Kana Aibara, Ayako Ohno(maita), Kazuhito Akama
  • Organizer: Molecular Mechanisms Modulating Skeletal Muscle Development and Homeostasis in Health and Disease
  • Place of Presentation: Pacific Grove（アメリカ）
  • Year and Date: 2016-06-07 – 2016-06-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 寝たきりや無重力による筋萎縮のメカニズム解明とその栄養学的治療法の開発 (2016)
  • Author(s): 二川健
  • Organizer: 第70回日本栄養・食糧学会大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-05-13 – 2016-05-15
  • Invited
• [Book] Clinical Calcium, 筋肉研究の最前線 (2017)
  • Author(s): 岸本ひかる、内田貴之、北畑香菜子、二川健
  • Total Pages: 144 (27-32)
  • Publisher: 医薬ジャーナル社
• [Book] Clinical Calcium, 運動・スポーツと骨・関節 (2017)
  • Author(s): 坂下禎宏、内田貴之、二川健
  • Total Pages: 172 (79-85)
  • Publisher: 医薬ジャーナル社