神経から筋・代謝へのメカノストレス伝達と適応応答機構

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 宇宙からひも解く新たな生命制御機構の統合的理解
• 研究課題/領域番号: 15H05937
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 東谷 篤志 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (40212162)
• 研究分担者: 東端 晃 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 有人宇宙技術部門, 主任研究開発員 (30360720)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 重力 / メカノストレス / 筋 / 神経 / カルシウム / 筋萎縮

研究実績の概要

「高温ストレスやミトコンドリア障害から筋委縮に至る機構の解析」：長期宇宙滞在において、ヒト骨格筋の萎縮は克服しなければならない大きな課題である。モデル生物線虫Caenorhabditis elegansを用いた宇宙実験においても、微小重力が筋形成に負の影響を及ぼし、筋タンパク質に加えて細胞骨格、ミトコンドリア代謝酵素の遺伝子ならびにタンパク質発現レベルでの低下を来すことが、これまでの私たちの宇宙実験結果から示された。今年度は、高温ストレスやミトコンドリア障害から、筋細胞の萎縮、崩壊に至る過程の詳細を明らかにすることに取組んだ。
その結果、いずれのケースでも、筋細胞内のCa2+の過剰な上昇が観察され、さらにストレスが継続した場合、ミトコンドリアの断片化が生じた（発表論文1）。断片化が進行したミトコンドリアでは、ATP産生能が低下し、ATPレベルの低下はCa2+を筋小胞体SRに還流するSERCA (sarco/endoplasmic reticulum Ca2+ ATPase)の働きが抑制され、Ca2+の蓄積が継続する悪循環を来す。最終的に、Ca2+過剰は、筋細胞のExtra Cellular Matrix (ECM)分解を促し、最終的に筋細胞の崩壊プロセスが進行することを明らかにした。ECMの分解に関わるMMPやその活性化酵素FurinもいずれもCa2+依存性のendopeptidasesであり、これら分解に関わる酵素の抑制は筋細胞の萎縮、崩壊を抑えるターゲット分子になるといえる。 以上のことから、筋細胞では本来Ca2+濃度を変化させることによって、その運動性につなげているが、この筋細胞特異的なCa2+恒常性機構が、各種ストレスによって影響を受けやすく、その特異性が他の臓器や器官よりも、筋細胞がより高い崩壊リスクを秘めているものと考察された。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究の自己評価として、当初の予定通り、順調に進んでいると判断している。環境変化に応答する成長因子TGF-b;ファミリー因子、ならびに上流のセンサー分子の候補を特定することができ、また、下流の筋細胞の維持には筋ECMの重要性を新たに見出すことができ、従来の筋細胞内におけるユビキチン分解系やアポトーシス分解系に加えた新たな局面に発展することを期待している。
さらに、「宇宙ライフサイエンス実験：Epigeneticsの解析」：宇宙環境の微小重力下で生物が世代交代を繰り返した際に、子孫の核やミトコンドリアのゲノムに生じる遺伝的変異や変化、エピジェネティックな制御において、変化に何らかの方向性がみられるか明らかにすることを目的とし、2014年12月 SpaceX Dragon 5で、線虫野生型N2ならびにヒストン脱アセチル化酵素HDAC-4の変異体hda-4、Sertuinの変異体sir-2.1を打ち上げ、宇宙環境で4世代継続培養して、宇宙の微小重力環境が及ばす影響について解析した。主に、網羅的な遺伝子発現変動の解析から、新たな発見、ドーパミン制御、エピジェネティックな制御系を見出し、今後の新たな展開にもつながった。

今後の研究の推進方策

①これまでに引き続き、全ゲノム遺伝子約2万のなかから7,000遺伝子のシステマティックなRNAiによる発現抑制体、ならびに個々の神経細胞が欠損した変異体（岩手大学ならびにC. elegans genetic centerから供与）を用いて、寒天上と液体で生育させた際にみられる体長の変化（適応応答能）を調べる。現時点では、これまでに約3,000遺伝子のRNAi発現抑制体を調べたなかから、メカノセンサー様チャネル遺伝子unc-8ならびにdel-1変異体、TGF-b/DBL-1シグナル伝達系の遺伝子dbl-1、sma-4の変異体、神経伝達物質受容体遺伝子dop-4の変異体、計5種類の遺伝子の発現抑制ならびに欠損変異体において、液体環境での適応応答が失われていた。静水圧変化、過重力など異なるメカノ刺激に対する応答性についても調べる。
②線虫の寿命の鍵となるDAF-16/FoxO転写因子や、Sirtuinをはじめとするカロリー制限とのエピスタシス解析、また大きく育った線虫に摂食制限を課すことで寿命や筋崩壊への影響を調べる。
③A01計画班　成瀬（岡山大）との共同研究により、メカノストレスによるDAF-16/FoxO転写因子の核内移行（活性化）の分子メカニズムについて明らかにする。
④A01公募 本田（早稲田大）ならびに二川（徳島大）との共同研究により、線虫ならびに培養細胞の微小重力環境におけるタンパク質レベルでの発現変動を解析する。
以上、本領域内の研究者と共同研究を展開し種を越えた「適応応答」の可塑性と、長期無重力や加齢による筋萎縮・破綻に至る仕組みの生物普遍的な分子機構の解明に挑む。

研究成果

• [雑誌論文] Reactive oxygen species up-regulate expression of muscle atrophy-associated ubiquitin ligase Cbl-b in rat L6 skeletal muscle cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida T, Sakashita Y, Kitahata K, Yamashita Y, Tomida C, Kimori Y, Komatsu A, Hirasaka K, Ohno A, Nakao R, Higashitani A, Higashibata A, Ishioka N, Shimazu T, Kobayashi T, Okumura Y. Choi I, Oarada M. Mills EM, Teshima-Kondo S, Takeda S, Tanaka E, Tanaka K, Sokabe M, Nikawa T
  • 雑誌名: Am J Physiol Cell Physiol. 巻: 184 ページ: in press
  • DOI: doi: 10.1152/ajpcell.00184.2017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 微小重力に対する線虫の応答 (2018)
  • 著者名/発表者名: 東谷篤志
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 69 ページ: 102-105
• [雑誌論文] Heat-Induced Calcium Leakage Causes Mitochondrial Damage inCaenorhabditis elegansBody-Wall Muscles (2017)
  • 著者名/発表者名: Momma Kenta、Homma Takashi、Isaka Ruri、Sudevan Surabhi、Higashitani Atsushi
  • 雑誌名: Genetics 巻: 206 ページ: 1985～1994
  • DOI: doi: 10.1534/genetics.117.202747
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 線虫筋細胞の無重力応答と熱中症モデル研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 門間健太、東谷篤志
  • 雑誌名: 腎と骨代謝 (特集 宇宙医学研究の最先端) 巻: 30 ページ: 211-216
• [学会発表] Molecular physiology in C. elegans body-wall muscles. (2018)
  • 著者名/発表者名: Higashitani A.
  • 学会等名: INDO-JAPAN Conference: Epigenetics, Human Microbiomes and Disease.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A heatstroke model in C. elegans. (2017)
  • 著者名/発表者名: Momma K, Homma T, Isaka R, Sudevan S, Higashitani A.
  • 学会等名: The 21th International C. elegans Meeting.
  • 国際学会
• [学会発表] Muscle molecular physiology in spaceflown C. elegans. (2017)
  • 著者名/発表者名: Higashitani A
  • 学会等名: 14th Japan-Korea Joint Seminar on Space Environment Utilization Research.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mitochondrial dysfunction mediated ECM degradation in C. elegans. (2017)
  • 著者名/発表者名: Sudevan S, Takiura M, Kubota Y, Higashitani N, Higashitani A.
  • 学会等名: The 21th International C. elegans Meeting.
  • 国際学会