Niche-based cross-talk among muscle satellite, motor neuron and end plate in sensing mechanical stimuli during contraction of skeletal muscle cells

• Project/Area Number: 19KK0254
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 59:Sports sciences, physical education, health sciences, and related fields
• Research Institution: Toyohashi Sozo University
• Principal Investigator: 後藤 勝正 (山下勝正) 豊橋創造大学, 保健医療学部, 教授 (70239961)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 江川 達郎 京都大学, 人間・環境学研究科, 助教 (00722331) ; 横山 真吾 豊橋創造大学, 保健医療学部, 講師 (30706859)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2021: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: サルコペニア / niche / 筋衛星細胞

Outline of Research at the Start

本研究では、筋衛星細胞と運動神経細胞・神経筋接合部のニッチに着目して、運動神経細胞を介した収縮情報のネットワークを中心とした骨格筋の可塑性発現機構を明らかにし、サルコペニア克服策確立のための知的基盤を形成することを目的とする。本研究の目的達成には、共焦点顕微鏡と画像解析ソフトウエアを用いた筋衛星細胞と運動神経細胞・神経筋接合部の空間的位配置の3次元（3D）解析と3D定量化技術が重要な位置を占める。そこで、骨格筋組織の透明化技術、共焦点顕微鏡・画像解析ソフトウエアを用いた卓越した解析技術を確立したミネソタ大学のAsakura博士との国際共同研究として実施する。

Outline of Annual Research Achievements

健康長寿を目指して運動が推奨されている。特に、運動器である骨格筋の機能の維持向上が重要な課題であるのは言うまでもない。一方、加齢に伴う骨格筋量と機能の低下（サルコペニア）に対する適切な運動処方は未確立であり、早急に解決が望まれている。しかし、サルコペニア発症機構は未解明であるだけでなく、運動刺激の増減に応じた骨格筋可塑性（肥大や萎縮や再生）の分子機序の全貌も明らかでない。サルコペニアを克服し、健康寿命の延伸を実現する運動を実施するためには、骨格筋可塑性の分子機構の解明は必須である。そこで本研究は、骨格筋細胞における運動刺激受容機構として筋衛星細胞と運動神経細胞・神経筋接合部のニッチに着目し、加齢に伴うこの空間的相互作用の変容によるサルコペニア発症メカニズムを解明し、運動効果増強によるサルコペニア克服策確立のための知的基盤形成を目指すことを目的として、米国ミネソタ大学との国際共同研究として5か年計画で実施される。2023年度は、その５年目にあたり、研究開始当初では研究最終年度に当たる。研究計画では、ミネソタ大学にて遺伝子改変動物を用いた実験を実施することとし、筋衛星細胞特異的Pax7遺伝子により発現する赤色蛍光強発現遺伝子tdTomatoと運動神経細胞に特異的なThy1遺伝子に緑色蛍光遺伝子YFPを導入したレポーターマウスを用いた運動刺激増加モデルおよび除神経モデル実験をさらに推進した。2年間のコロナ禍の影響により実験計画に遅れが出ていたが、今年度は、3度にわたりミネソタ大学への渡航が可能となり、研究計画の遅れを取り戻すことができた。しかし、まだ未解析のサンプルがあるために、研究期間を延長して解析を進める予定である。今年度は、坐骨神経切除による運動神経終末の変化と筋衛星細胞の挙動について解析を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2023年度は3回の渡航が可能となり、ミネソタ大学での実験を進めることができた。順調に、実験計画が進んでおり、多くの解析用サンプルを得ることができた。しかし、一部、未解析のサンプルがあり、研究期間を延長して解析を進める予定である。

Strategy for Future Research Activity

2023年度までにミネソタ大学で実施した遺伝子改変動物を用いた実験で得た未解析のサンプルの解析を進める予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Minnesota Medical School(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Minnesota Medical School(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Minnesota Medical School(米国)
• [Int'l Joint Research] King's College London(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Minnesota Medical School(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Minnesota Medical School(米国)
• [Journal Article] Impacts of myosin heavy chain phenotypes on recovery of leg extension force after ACL-reconstructed knee (2023)
  • Author(s): Kobayashi T、Ogura Y、Kishiro S、Kurosaka M、Yoshihara T、Kakigi R、Minakawa N、Uehara K、Suzuki T、Goto K、Niki H
  • Journal Title: The Journal of Physical Fitness and Sports Medicine Volume: 12 Issue: 3 Pages: 77-85
  • DOI: 10.7600/jpfsm.12.77
  • ISSN: 2186-8123, 2186-8131
  • Year and Date: 2023-05-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activation of Lactate Receptor Positively Regulates Skeletal Muscle Mass in Mice (2023)
  • Author(s): Ohno Y、Nakatani M、Ito T、Matsui Y、Ando K、Suda Y、Ohashi K、Yokoyama S、Goto K
  • Journal Title: Physiological Research Volume: 72 Pages: 465-473
  • DOI: 10.33549/physiolres.935004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Skeletal Muscle Denervation: Sciatic and Tibial Nerve Transection Technique (2023)
  • Author(s): Goto Katsumasa、Ohashi Kazuya
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2460 Pages: 217-225
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-3036-5_16
  • ISBN: 9781071630358, 9781071630365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Responses of neuromuscular properties to unloading and potential countermeasures during space exploration missions (2022)
  • Author(s): Ohira, T., F. Kawano, K. Goto, and Y. Ohira
  • Journal Title: Neuroscience and Biobehavioral Reviews Volume: 136 Pages: 104617-104617
  • DOI: 10.1016/j.neubiorev.2022.104617
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Methylglyoxal reduces molecular responsiveness to 4 weeks of endurance exercise in mouse plantaris muscle (2022)
  • Author(s): Egawa Tatsuro、Ogawa Takeshi、Yokokawa Takumi、Kido Kohei、Goto Katsumasa、Hayashi Tatsuya
  • Journal Title: Journal of Applied Physiology Volume: 132 Issue: 2 Pages: 477-488
  • DOI: 10.1152/japplphysiol.00539.2021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fine-Tuning of Piezo1 Expression and Activity Ensures Efficient Myoblast Fusion during Skeletal Myogenesis (2022)
  • Author(s): Ortuste Quiroga Huascar Pedro、Ganassi Massimo、Yokoyama Shingo、Nakamura Kodai、Yamashita Tomohiro、Raimbach Daniel、Hagiwara Arisa、Harrington Oscar、Breach-Teji Jodie、Asakura Atsushi、Suzuki Yoshiro、Tominaga Makoto、Zammit Peter S.、Goto Katsumasa
  • Journal Title: Cells Volume: 11 Issue: 3 Pages: 393-393
  • DOI: 10.3390/cells11030393
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Ryanodine receptor 3 impacts on the expression of aminopeptidase in mammalian skeletal muscle cells during myogenic differentiation (2023)
  • Author(s): Ito R, Yokoyama S, Ohashi K, Hagiwara A, Takeo Y, Egawa T, Asakura A, Goto K
  • Organizer: American Physiology Summit 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 拡散型圧力波は不動化に伴う関節可動域制限ならびに筋萎縮からの回復を促進する (2023)
  • Author(s): 横山真吾，塚田晋太朗，水谷仁一，後藤勝正
  • Organizer: SHOCK WAVE JAPAN 2023
• [Presentation] スクレロスチンが骨格筋に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 小林哲士，横山真吾，後藤勝正，仁木久照
  • Organizer: 第38回日本整形外科学会基礎学術集会
• [Presentation] 間欠的な高二酸化炭素分圧環境への曝露が骨格筋細胞の成長に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 横田裕平，小寺紫雲，櫻井隆太郎，鈴木星矢，山下創大，山本竜矢，大橋和也，萩原ありさ，後藤勝正
  • Organizer: 第69回日本宇宙航空環境医学会大会
• [Presentation] 終末糖化産物AGEsによるマウス骨格筋細胞膜脆弱化の誘導 (2023)
  • Author(s): 江川達郎，小川岳史，木戸康平，横川拓海，後藤勝正，林達也
  • Organizer: 第69回日本宇宙航空環境医学会大会
• [Presentation] 新規運動抵抗性因子としてのメチルグリオキサールの可能性 (2023)
  • Author(s): Egawa, T., Ogawa, T., Kido, K., Yokokawa, T., Goto, K., Hayashi, T.
  • Organizer: 日本生理学会 第100回記念大会
• [Presentation] Abnormal differentiation of C2C12 myoblasts due to low expression level of ryanodine receptor 3 (2023)
  • Author(s): Ito, R., Yokoyama, S., Ohashi, K., Hagiwara, A., Takeo, Y., Egawa, T., Asakura, A., Goto, K.
  • Organizer: 日本生理学会 第100回記念大会
• [Presentation] 胃－骨格筋間コミュニケーションの可能性－胃抑制性ペプチドによるC2C12筋管細胞の自動拍動－ (2022)
  • Author(s): 後藤勝正，横山真吾，大橋和也，萩原ありさ，青島惠，伊藤理香，江川達郎，朝倉淳
  • Organizer: 第77回日本体力医学会大会
• [Presentation] 胃抑制性ペプチドはマウスヒラメ筋の廃用性筋萎縮ならびに速筋化を軽減する― 蛍光免疫染色を用いた検討 ― (2022)
  • Author(s): 横山真吾，大橋和也，萩原ありさ，伊藤理香，後藤勝正
  • Organizer: 第77回日本体力医学会大会
• [Presentation] 糖化ストレスは物理的負荷に伴う筋細胞膜損傷を増幅させる (2022)
  • Author(s): 江川達郎，小川岳史，木戸康平，横川拓海，後藤勝正，林達也
  • Organizer: 第77回日本体力医学会大会
• [Presentation] A possible of gastric inhibitory polypeptide in the regulation of skeletal muscle mass (2020)
  • Author(s): Goto, K., Aoshima, M., Hagiwara, A., Yamashita, T., Ortuste Quiroga, H.P., Yokoyama, S.
  • Organizer: 第97回日本生理学会大会
• [Remarks] 豊橋創造大学大学院健康科学研究科生体機能学分野
  • URL: https://sozo-ac.com/professor/goto_katsumasa/index.html