Study on the mechanism of regulation of mitochondrial function by brain-derived neurotrophic factor

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03187
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 絹川 真太郎 北海道大学, 医学研究院, 講師 (60399871)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 福島 新 北海道大学, 大学病院, 助教 (40706553) ; 高田 真吾 北海道大学, 医学研究院, 博士研究員 (60722329) ; 横田 卓 北海道大学, 大学病院, 特任助教 (90374321)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 脳由来神経栄養因子 / マイオカイン / 骨格筋 / ミトコンドリア

Outline of Annual Research Achievements

C2C12培養骨格筋細胞を用いてBDNFの細胞内局在を観察した。BDNFの免疫染色を行い、超解像顕微鏡で観察したところ、ミトコンドリア内にBDNFが存在することが確認できた。さらに、マウスの下肢骨格筋を用いて、超遠心によるミトコンドリア分画の単離を行い、BDNFのウエスタンブロットを行ったところ、BDNFのタンパク発現が確認された。したがって、BDNFは骨格筋細胞のミトコンドリア内に存在することが証明された。
次に、C2C12をカフェイン刺激（500mM, 24時間）を行い、培養上清のBDNFタンパク発現を評価したところ、カフェイン刺激5時間後からBDNF発現が確認された。このBDNFの発現は骨格筋収縮を抑制するブレビスタチンの同時処置によって、完全に抑制された。したがって、骨格筋の収縮によって骨格筋からBDNFが分泌されることが明らかとなった。
BDNFによる細胞内シグナル伝達を明らかにするために、C2C12培養細胞を用いてヒトリコンビナントBDNF（hrBDNF）を処置して解析を行った。hrBDNF処置によって、AMPKリン酸化が亢進し、PGC1タンパク発現が増加した。さらに、ミトコンドリア生合成や脂肪酸酸化にかかわる遺伝子発現は増加した。また、ミトコンドリアのCS活性が増加した。TrkB受容体ノックダウンやTrkB受容体拮抗薬投与によって、これらのrhBDNFの効果は消失した。さらに、AMPK抑制薬によってもPGC1タンパク発現やミトコンドリアCS活性に対する効果は消失した。
さらに、心筋梗塞後心不全モデルマウスを作成し、rhBDNF投与により運動能力が改善することを明らかにし、そのphenotypeに関するデータをCirculation誌へ発表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究実績の概要で示した通り、当初予定していた、①BDNFの細胞内局在の解析、②筋収縮による骨格筋細胞からの分泌、③BDNFによるTrkB受容体を介したシグナル伝達のおおよその研究に着手し、仮説通りの結果を得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

当初の予定通り研究を進めていく予定である。次年度は、BDNFによるミトコンドリア内タンパクのアセチル化に関する研究を行う。特に、脂肪酸代謝に関わる酵素のアセチル化にBDNFが関与しているかどうかを中心に解析を進める。また、一部本年度に研究を進めたが、骨格筋異常を呈する動物モデルを用いた解析も行う。高齢マウスモデル、心筋梗塞後心不全モデル、BDNFヘテロ欠損マウスを用いて、骨格筋異常とBDNFとの関連を検討する。現時点で研究遂行上問題となる点はない。

Research Products

• [Journal Article] Brain-Derived Neurotrophic Factor Improves Limited Exercise Capacity in Mice With Heart Failure (2018)
  • Author(s): Matsumoto Junichi、Takada Shingo、Kinugawa Shintaro、Furihata Takaaki、Nambu Hideo、Kakutani Naoya、Tsuda Masaya、Fukushima Arata、Yokota Takashi、Tanaka Shinya、Takahashi Hidehisa、Watanabe Masashi、Hatakeyama Shigetsugu、Matsumoto Masaki、Nakayama Keiichi I.、Otsuka Yutaro、Sabe Hisataka、Tsutsui Hiroyuki、et al
  • Journal Title: Circulation Volume: 138 Pages: 2064～2066
  • DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.118.035212
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Protein acetylation in skeletal muscle mitochondria is involved in impaired fatty acid oxidation and exercise intolerance in heart failure (2018)
  • Author(s): Tsuda Masaya、Fukushima Arata、Matsumoto Junichi、Takada Shingo、Kakutani Naoya、Nambu Hideo、Yamanashi Katsuma、Furihata Takaaki、Yokota Takashi、Okita Koichi、Kinugawa Shintaro、Anzai Toshihisa
  • Journal Title: Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle Volume: 9 Pages: 844～859
  • DOI: 10.1002/jcsm.12322
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Administration of brain-derived neurotrophic factor improves the lowered exercise capacity and mitochondrial function in the skeletal muscle of mice with post-infarct heart failure. (2018)
  • Author(s): Takada S, Matsumoto J, Kinugawa S, Furihata T, Nambu H, Kakutani N, Maekawa S, Shirakawa R, Katayama T, Yamanashi K, Obata Y, Saito A, Fukushima A, Yokota T, Okita K, Anzai T
  • Organizer: American Heart Association Scientific Session 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Brain-derived neurotrophic factor improves limited exercise capacity by regulating mitochondrial faty-acid oxidation in mice with heart failure (2018)
  • Author(s): Matsumoto J, Takada S, Kinugawa S, Furihata T, Nambu H, Kakutani N, Fukushima A, Yokota T, Tsutsui H, Anzai T
  • Organizer: 第22回日本心不全学会学術集会