Multi-bioimaging of target molecules controlling skeletal muscle fiber adaptation

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H04074
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 狩野 豊 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (90293133)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: カルシウムイオン / 活性酸素種 / 筋細胞 / 細胞損傷 / エキセントリック収縮

Outline of Annual Research Achievements

令和3年度では，カルシウムイオンと活性酸素種（ROS）のダイナミクスが運動刺激パターンを読み取り，細胞適応のスイッチのON/OFFの役割を担う可能性を明らかにすることを目的とした．前年度に引き続き，in vivoマルチバイオイメージング技法によるカルシウムイオンの評価モデルによる検討を進めた．
その結果，エキセントリック収縮によるカルシウムイオンの細胞質内の動態について，収縮負荷後から24時間までの特徴が明らかにされた．特に，負荷してから5時間後は，筋小胞体のリアノジン受容体によるカルシウムイオン放出が持続して亢進していることが確認された．このタイミングで，ダントロレンによる薬理的ブロックを行うと，カルシウムイオン蓄積の抑制とあわせて，筋損傷が減弱することが示された．
また，エキセントリックを繰り返し負荷するモデルでは，ミトコンドリアのカルシウム輸送体（MCU)が単回のエキセントリック負荷によって増加し，細胞質内のカルシウムイオン増加を抑制する機構の存在が示唆された．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

令和3年度においては，カルシウムイオンとROSのダイナミクスパターンが遺伝子発現，タンパク質発現，細胞形態，そして機能変化との関連性を明らかにすることを検討していた．これによって，細胞適応のキーとなるスイッチのON/OFFの特異的なパターンを見出し，その結果として，レジスタンス型あるいはエンデュランス型運動による細胞適応の違いが説明できる可能性を探る予定であった．
細胞適応は，筋線維タイプの影響を受けるため，本研究のダイナミクスパターンが筋線維タイプに依存しているのかを明らかにしようとした．そのために，in vivo環境下での筋線維タイプの同定を優先課題として取り組んだ．しかしながら，筋線維タイプを同定し，カルシウム・ROSの同時観察を実施するためには，DUV観察系のセットアップを追加して実施する必要が生じた.
DUV域の観察が可能である顕微鏡とカメラは，既製品が限定されており，仕様を含めて 自作する必要があるが，年度内において，この実験モデルを確立することはできなかった．

Strategy for Future Research Activity

細胞適応は，筋線維タイプの影響を受けるため，本研究のダイナミクスパターンが筋線維タイプに依存している仮説を検証する．そのために，in vivo環境下での筋線維タイプの同定の実験モデルを確立する．
DUV域の観察が可能である顕微鏡とカメラのシステムを構築し，筋線維タイプと運動ストレスによるによる カルシウムイオンとROSダイナミクスを経時的に定量する．
さらに，筋線維による遺伝子発現(mRNA)，タンパク合成経路の活性，及びタンパク分解・アポトーシス，ミトコンド リア生合成経路の関連物質にうちて，筋線維タイプ別に調べる予定である.