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

2018 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

「ミトコンドリア障害から筋萎縮に至る機構の解析」
昨年度までの高温ストレスによる筋萎縮のメカニズムの解析に加えて、ミトコンドリア障害から筋萎縮に至るメカニズムの解析を主に進めた。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。そこで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でいる。
その結果、ミトコンドリア障害においても、高温ストレス障害と同様に、筋細胞内のCa2+の過剰な上昇が観察され、さらにCa2+過剰が筋細胞の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Matrix Metalloprotease (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、宇宙フライト時における筋細胞の萎縮、崩壊を抑えるターゲット分子になると考察された。
また、MMPやFurinの阻害剤は筋ジストロフィー線虫モデルに対しても、その筋崩壊を抑制する効果があることを示すことができた。現在、論文を投稿しminor revision中である。

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。線虫を用いた筋細胞の高温障害は、急性の熱中症における横紋筋融解症のモデルとしても位置付けられるとともに、宇宙フライトにおいて見出されたミトコンドリア活性の低下から筋萎縮に向かうCa2+過剰、その後のタンパク質分解酵素マトリックスメタロプロテアーゼの活性化、そして筋細胞の細胞外マトリックスの分解など、一連の萎縮に至る流れを捉えるとともに、同分解酵素の活性化酵素であるFurinの阻害剤などは、線虫における筋萎縮を抑制する効果があることも確認でき、今後の廃用性筋萎縮などの治療薬の開発に資するターゲットの1つと考えられる。
また、宇宙の微小重力環境や寒天上と比較して液体培地中で育てた場合などに、大きく発現が変動する線虫BMP/TGF-βファミリーの1つDBL-1が、最終的には、外骨格である表皮コラーゲンや体壁筋の発現量を変化させることを見出してきた（Higashitbata et al. npj Microgravity, 2016; Harada et al. npj Microgravity 2016）。また、DBL-1は主に運動神経などで産生されることから、その上流の神経系ネットワーク制御についても、今後の課題として位置付け、最終的には重力という力のメカノセンシング機構についても検討を加え、本研究テーマである「神経から筋・代謝へのメカノストレスの伝達と適応応答機構」について迫る。

今後の研究の推進方策

①宇宙の微小重力環境が、線虫BMP/TGF-βファミリーの1つDBL-1を負に制御する機構について、神経系ネットワークの観点から研究を掘り下げるとともに、重力が線虫に及ぼす影響について、そのメカノセンサー機構を考察し、各種突然変異系統を用いた実験系によりその証明に迫りたい。
②地上でヒトが歩行や運動、座位から起立姿勢に移るなどの際に、関節や骨などには、大気圧0.1MPaの数百倍（数十MPa）程度の負荷（以下、生理的静水圧とする）が単発的あるいは持続的にかかることが知られている。この生理的静水圧の負荷は、これら細胞、組織、器官の恒常性維持、強化に不可欠であることも知られている。すなわち、宇宙微小重力環境下においては、生理的静水圧の負荷も失われることから、機器を用いた運動による負荷が重要になるといえる。これまでの研究により、生理的静水圧の負荷は軟骨ならびにその細胞において、マトリックスタンパク質やVEGF血管内皮増殖因子の発現を誘導すること、一方で、閾値を超える負荷は、逆に、細胞死やマトリックスの崩壊に伴う変形性関節症などこれら組織や器官に大きな損傷を及ぼすことも知られてきた。しかしながら、これら生理的静水圧の負荷から大規模な転写発現制御に至る分子機序や個体レベルでの分子適応応答についての多くは不明である。そこで、A01-1 岡山大学 成瀬グループとの共同研究で、線虫に数～数十MPaの生理的静水圧を負荷し、分子応答ならびに生物影響を個体レベルで明らかにすることに努め、なかでも静水圧による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。
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

• [国際共同研究] University of Nottingham/University of Exeter(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Nottingham/University of Exeter
• [国際共同研究] Yonsei University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Yonsei University
• [雑誌論文] Nematode Muscles Project in Spaceflight Experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: Sudevan S, Hashizume T, Yano S, Kuriyama K, Momma K, Harada S, Umehara M, Higashibata A, Higashitani A.
  • 雑誌名: Biological Sciences in Space 巻: 32 ページ: 6～10
  • DOI: https://doi.org/10.2187/bss.32.6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reactive oxygen species upregulate 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: American Journal of Physiology-Cell Physiology 巻: 314 ページ: C721-C731
  • 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（特集 宇宙の極限環境から生命体の可塑性をさぐる） 巻: 69 ページ: 102-105
• [雑誌論文] 宇宙フライト線虫にみられた運動器への影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 東谷篤志
  • 雑誌名: 月間「細胞」（特集 地上生命の秘密を探る宇宙医学） 巻: 50 ページ: 4-7
• [学会発表] Spaceflight experiments using the nematode C. elegans. 15th Korea-Japan Joint Seminar on Space Environmental Utilization Research. (2018)
  • 著者名/発表者名: Higashitani A.
  • 学会等名: The 15th Korea-Japan Joint Seminar on Space Environment Utilization Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 線虫の物理的力に対する応答 (2018)
  • 著者名/発表者名: 東谷篤志
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
  • 招待講演
• [学会発表] A Mission Report on: Nematode Muscles Project in Spaceflight Experiment. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sudevan S, Hashizume T, Yano S, Kuriyama K, Momma K, Harada S, Umehara M, Higashibata A, Higashitani A.
  • 学会等名: 日本宇宙生物科学会第32回大会
• [学会発表] 微小重力はドーパミンによる神経伝達に影響を及ぼすのか (2018)
  • 著者名/発表者名: 橋爪藤子、梅原真澄、東端晃、東谷なほ子、東谷篤志
  • 学会等名: 日本宇宙生物科学会第32回大会
• [学会発表] A Mission Report on: Epigenetics Project in C. elegans Spaceflight. (2018)
  • 著者名/発表者名: Higashitani A, Hashizume T, Takiura M, Yano S, Kuriyama K, Umehara M, Higahibata A.
  • 学会等名: 日本宇宙生物科学会第32回大会
• [学会発表] 線虫を用いた筋ミトコンドリア研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 東谷篤志、小林剛
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会