2021 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanism of osteocyte senescence by mitochondrial retrograde signaling
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20H03583
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| Research Institution | National Center for Geriatrics and Gerontology |
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Principal Investigator |
清水 孝彦 国立研究開発法人国立長寿医療研究センター, 老化ストレス応答研究プロジェクトチーム, プロジェクトリーダー (40301791)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澁谷 修一 国立研究開発法人国立長寿医療研究センター, 老化ストレス応答研究プロジェクトチーム, 研究員 (70866342)
渡辺 憲史 国立研究開発法人国立長寿医療研究センター, 老化ストレス応答研究プロジェクトチーム, 研究員 (90866766)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ミトコンドリア / 骨細胞 / 細胞老化 / ストレス応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
骨組織は、骨格を支持する役割に加えて、造血やカルシウムの貯蔵庫、さらに骨由来ホルモンの産生を担う動的な組織である。加齢に伴い緩やかに骨量が減少し、多様な生理機能も低下する。その骨量減少は、性ホルモン低下に加え、活動量低下に伴う機械的刺激低下や、それを感知する骨細胞の機能低下が要因とも考えられている。骨基質に埋没している骨細胞は骨細管を伸ばし周囲の細胞と情報伝達を行うとともに、RANKLやsclerostinに代表される骨制御因子の分泌細胞でもある。また興味深い事に、細胞寿命が1-50年と非常に長く、加齢に伴い細胞の配向異常や、骨細管数減少および変形が生じる。研究代表者は、加齢様骨量減少モデルマウスを用いた解析過程で、ミトコンドリア機能不全が骨細胞の加齢様変化を助長することを明らかにした。この結果は、ミトコンドリア由来のストレス応答が骨細胞の老化を促進する可能性を示唆した。また、分子機構としてミトコンドリア機能不全に付随して、統合的ストレス応答因子であるATF4転写因子を核集積（活性化）し、骨関連遺伝子群の発現を変化させること、さらに同時に核ラミナタンパク質（Lamin AとLamin B）減少による核構造変化も誘導して、加齢様骨量減少をもたらすことを明らかにしつつある。本研究では、ミトコンドリア機能不全によりストレス応答するATF4転写因子活性化の分子機構と核ラミナタンパク質動態の分子接点を明らかにし、老化ストレスによる骨細胞を起点とした骨老化の分子メカニズム解明を目指している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①ミトコンドリア機能不全によるeIF2αのリン酸化を介したATF4活性化機構の解析
骨細胞株MLO-Y4細胞にミトコンドリア脱共役剤CCCPを添加しATF4活性化を調べた。その結果、添加後24時間後以降に核ラミナタンパク質（Lamin AとLamin B）減少と細胞核肥大が認められたが、ATF4増加とその上流eIF2αのリン酸化は添加後数時間の早期に生じることが明らかとなった。統合的ストレス応答経路（ISR）阻害剤ISRIBを添加し影響を調べると、早期のリン酸化eIF2αとATF4増加の抑制、および核ラミナタンパク質の減少と細胞核肥大緩和が認められた。さらに4種類のeIF2αキナーゼに対する選択的阻害剤投与実験の結果、HRIが寄与することが判明した。骨細胞でのミトコンドリア機能不全によりHRI-eIF2α-ATF4軸のISR経路が活性化し、核ラミナタンパク質の動態に影響を与えることが明らかとなった。
②ミトコンドリアストレス応答によるATF4活性化
ATF4可視化レポーターマウス(UMAIマウス)を導入し、骨細胞特異的SOD2欠損マウスを交配して個体レベル（in vivo）での骨細胞ミトコンドリアストレスの可視化を試みたが、骨組織での可視化が認められ無かった。薬剤や廃用などの追加ストレスにより活性化量を高める工夫が必要と考察した。またin vivo検証のため、導入したATF4 KOマウスと交配を進め、順調に解析個体の産仔を得つつある。骨組織でのミトコンドリアストレスとATF4の役割を調べる準備状況は整いつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
骨細胞でミトコンドリア機能不全が、HRI-eIF2α-ATF4軸の「統合的ストレス応答経路」を介して、核ラミナタンパク質の動態を制御していることが明らかとなった。さらに本研究を継続することで、ATF4やISR経路の下流遺伝子や経路を詳細に調べることで、sclerostin発現増加や核ラミナタンパク質（Lamin AとLamin B）発現低下の転写や翻訳レベルでの分子機構を明らかにできる。さらにモデルマウスを組み合わせることで、骨組織（骨細胞）内での現象を実証できる。今後、個体レベルでの実証が進めば、細胞寿命が極めて長い骨細胞の加齢プロセスで、ミトコンドリアが制御する骨恒常性を維持する分子機構の一端が明らかになることが期待される。
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Research Products
(25 results)
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[Journal Article] SOD2 in skeletal muscle: New insights from an inducible deletion model.2021
Author(s)
Zhuang, A., Yang, C., Liu, Y., Tan, Y., Bond, S.T., Walker, S., Sikora, T., Laskowski, A., Sharma, A., de Haan, J.B., Meikle, P.J., Shimizu, T., Coughlan, M.T., Calkin, A.C., Drew, B.G.
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Journal Title
Redox Biology
Volume: 47
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Neuron-specific mitochondrial oxidative stress results in epilepsy, glucose dysregulation and a striking astrocyte response.2021
Author(s)
Fulton, R.E., Pearson-Smith, J.N., Huynh, C.Q., Fabisiak, T., Liang, L., Aivazidis, S., High, B.A., Buscaglia, G., Corrigan, T., Valdez, R., Danis, E., Shimizu, T., and Patel, M.N.
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Journal Title
Neurobiol. Dis.
Volume: 158
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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