骨細胞由来の骨格筋恒常性阻害因子の探索研究

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K19607
• 研究機関: 国立研究開発法人国立長寿医療研究センター
• 研究代表者: 清水 孝彦 国立研究開発法人国立長寿医療研究センター, 研究所 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)
• 研究分担者: 澁谷 修一 国立研究開発法人国立長寿医療研究センター, 研究所 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, 研究所 老化ストレス応答研究プロジェクトチーム, 研究員 (90866766)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• キーワード: 骨細胞 / 骨格筋 / ミトコンドリア / 組織連関

研究実績の概要

高齢者の多くは骨粗鬆症（骨量減少）とサルコペニア（筋量減少）が同時並行的に生じており、骨量減少―筋量減少―痛み（腰や膝）の悪循環が高齢期の自立を妨げ、健康維持の大きな問題となっている。サルコペニアの発症機序は不明な点が多く、研究途上にある。最近、組織間相互作用の研究が広がり、骨-骨格筋クロストークに関する研究報告も出始めた。骨格筋恒常性維持機構を骨-骨格筋のクロストークから理解する研究は芽生え期の研究と言える。申請者等は、ミトコンドリア局在型Superoxide dismutase 2（SOD2）酵素欠損によるミトコンドリア機能不全誘導で臓器加齢を模倣したモデル系での解析から、骨細胞由来因子が骨格筋量維持に重要な働きを示唆するデータを得た。本研究は、この仮説を実証するために、ミトコンドリア機能不全を示す骨細胞が特異的に分泌する骨格筋恒常性抑制因子を探索し、その因子が骨格筋細胞に萎縮変化を生じさせることを明らかにする。骨細胞由来因子による骨格筋制御機構を骨-骨格筋クロストークの切り口から解析し、加齢性筋萎縮の病態解明を目指す。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

骨細胞特異的SOD2欠損マウスの骨組織の遺伝子発現をRNA-Seq法で調べたところ、骨代謝制御因子Sost, Ranklに加え、統合的ストレス応答遺伝子Atf4, Fgf21, Chopの発現が増加していた。これらの発現変化はRT-PCR法で確認できた。また同マウスの骨格筋組織を同様にRNA-Seq法で遺伝子発現を調べたところ、Fgf21の発現増加が認められた。FGF21は主に肝臓で発現・分泌される内分泌ホルモンとして知られているが、飢餓やERストレス、ミトコンドリア機能不全などのストレス応答で脂肪組織、脳、腎臓、骨格筋等で発現増加する。またFGF21は様々な代謝性疾患に対する保護作用に加え、逆に骨萎縮や骨格筋萎縮作用が知られている（Tezze, C. Et al. Front. Physiol. 2019）。また組織学的解析を行ったところ、筋繊維数の減少、筋繊維周囲の細胞外成分肥厚などの形態学的変化が認められた。さらに運動神経の影響を調べるために、神経筋接合部の組織学的解析を行ったところ、シナプス構造の変性が散見された。これらの結果は、骨-骨格筋連関に加え、運動神経異常が加わる可能性を示唆し、骨を起点とした神経-骨格筋恒常性破綻を引き起こしうると考察された。

今後の研究の推進方策

骨細胞特異的SOD2欠損マウスは、骨細管形態異常とRANKLおよびSclerostinの産生亢進による骨量減少に加え、骨格筋量の有意な萎縮を示した。この結果は、骨細胞のミトコンドリア機能不全による間接的な骨格筋恒常性破綻を示唆した。これまでの細胞実験から、SOD2欠損、または脱共役剤CCCP処理で、共通してストレス応答因子ATF4の活性化とSclerostinを含む下流遺伝子群の発現変動を明らかにしている。またこの応答が個体の骨組織でも同様に生じていることも予備的に
明らかにしている。そこで、変異マウス骨から単離した初代Sod2欠損骨細胞の培養上清、または骨細胞株MLO-Y4細胞に脱共役剤CCCPを添加して培養した培養上清を筋芽細胞株C2C12細胞に添加して、分化誘導系での筋管細胞形成率、死細胞率、形態異常率などの筋管分化能への抑制効果を調べる。分化誘導等を抑制する負制御因子の存在が判明したら、それぞれの培地上清を抗体アレイを用いたプロテオミクス解析を行い、RANKLやSclerostinも含めて共通分子を同定する。また、
中和抗体や阻害剤等の共添加で分化抑制作用の消失を調べ機能的裏付け実験も行う。さらに骨細胞株や変異マウス由来骨細胞で本因子の遺伝子発現とタンパク質発現、さらに変異マウス血清や老齢マウス血清での血中レベルも調べ、ミトコンドリア機能不全によって骨細胞から分泌される骨格筋恒常性抑制因子を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

遺伝子発現解析試薬や生化学試薬の納期遅延、および実験動物の繁殖計画が変更になった。次年度に遺伝子発現解析試薬、生化学試薬費、実験動物費用、旅費をとして使用する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] INSERN(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: INSERN
• [国際共同研究] Indiana University School of Medicine(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Indiana University School of Medicine
• [国際共同研究] Konkuk University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Konkuk University
• [雑誌論文] SOD2 orchestrates redox homeostasis in intervertebral discs: A novel insight into oxidative stress-mediated degeneration and therapeutic potential. (2024)
  • 著者名/発表者名: Tamagawa, S., Sakai, D., Nojiri, H., Nakamura, Y., Warita, T., Matsushita, E., Schol, J., Soma, H., Ogasawara, S., Munesada, D., Koike, M., Shimizu, T., Sato, M., Ishijima, M., Watanabe, M.
  • 雑誌名: Redox Biol 巻: 71 ページ: ー
  • DOI: 10.1016/j.redox.2024.103091
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] GDE5 activity determines phosphatidylcholine composition in skeletal muscle and regulates contractile force in mice. (2024)
  • 著者名/発表者名: Aisyah, R., Ohshima, N., Watanabe, D., Nakagawa, Y., Sakuma, T., Nitschke, F., Nakamura, M., Sato, K., Nakahata, K., Yokoyama, C., Kumrungsee, K., Shimizu, T., Sotomaru, Y., Takeo, T., Nakagata, N., Izumi, T., Minassian, B.A., Miura, S., Yamamoto, T., Wada, M., and Yanaka, N.
  • 雑誌名: Commun. Biol 巻: in press ページ: in press
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Linagliptin exacerbates heart failure due to energy deficiency via downregulation of glucose utilization and absorption in a mouse model. (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiraki, A., Jun-ichi Oyama, J., Shimizu, T., Node, K.
  • 雑誌名: Eur J Pharmacol 巻: 948 ページ: ー
  • DOI: 10.1016/j.ejphar.2023.175673
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of dietary chalcone and flavonoid metabolites in mice using UPLC_MS/MS and their modulatory effects on amyloid β aggregation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Taniwa, K., Murakami, K., Sakaguchi, Y., Izuo, N., Hanaki, M., Sampa, N., Kume, T., Shimizu, T., and Irie, K.
  • 雑誌名: J Agric Food Chem 巻: 71 ページ: 14289-14299
  • DOI: 10.1021/acs.jafc.3c02598
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insulin resistance induces earlier initiation of cognitive dysfunction mediated by cholinergic deregulation in a mouse model of Alzheimer’s disease. (2023)
  • 著者名/発表者名: Izuo, N., Watanabe, N., Noda, Y., Saito, T., Saido, T.C., Yokote, K., Hotta, H., Shimizu, T.
  • 雑誌名: Aging Cell 巻: 22 ページ: ー
  • DOI: 10.1111/acel.13994
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 骨格筋特異的SOD2欠損はミトコンドリア機能不全に伴う運動不耐を引き起こす (2023)
  • 著者名/発表者名: 澁谷修一、坂本一晃、渡辺憲史、野尻英俊、清水孝彦
  • 雑誌名: 基礎老化研究誌 巻: 47 ページ: 32-34
  • 査読あり
• [雑誌論文] 筋疲労モデルマウスを用いた運動機能改善物質の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 澁谷修一，渡辺憲史，桜庭大樹，阿部卓哉，清水孝彦
  • 雑誌名: Functional Food Research 巻: 19 ページ: 45-49
  • DOI: 10.32153/ffr.ffr19_p45-49
  • 査読あり
• [雑誌論文] 早老症モデルを用いた食品素材の機能性解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦
  • 雑誌名: Functional Food Research 巻: 19 ページ: 5ー9
  • DOI: 10.32153/ffr.ffr19_p5-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] アンチエイジング研究の基礎 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦
  • 雑誌名: J Mamm Ova Res 巻: 40 ページ: 27-33
  • 査読あり
• [学会発表] SOD1欠損マウスを用いた健康食品の抗老化作用の評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 桜庭大樹、澁谷修一、渡辺憲史、阿部卓哉、大平はる香、山本貴司、永田岳史、山口芳正、清水孝彦
  • 学会等名: 第20回ファンクショナルフード学会学術集会
• [学会発表] 細胞外マトリックス制御による老化様皮膚病態の改善作用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 澁谷修一、上條真弘、渡辺憲史、清水孝彦
  • 学会等名: 第20回ファンクショナルフード学会学術集会
• [学会発表] ファンクショナルフードの未来 (2024)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦
  • 学会等名: 第20回ファンクショナルフード学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Superoxide Dismutase 2 Deficiency Accelerates Age-related Spontaneous Intervertebral Disc Degeneration In Mice (2024)
  • 著者名/発表者名: Shota Tamagawa, Daisuke Sakai, Hidetoshi Nojiri, Takayuki Warita, Jordy Schol, Takahiko Shimizu, Masato Sato, Muneaki Ishijima, Masahiko Watanabe
  • 学会等名: Orthopaedic Research Society (ORS) 2024 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Mitochondrial stress response in osteocytes regulates nuclear structure and bone metabolism via ATF4-lamins-sclerostin axis in aged bone (2024)
  • 著者名/発表者名: Takahiko Shimizu, Kenji Watanabe, Shuichi Shibuya
  • 学会等名: SAGL First Anniversary International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 老化ストレスによる運動器老化の機構解明研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦
  • 学会等名: 第24回GSRCセミナー
• [学会発表] 澁谷修一、上條真弘、渡辺憲史、清水孝彦 (2024)
  • 著者名/発表者名: 澁谷修一、上條真弘、渡辺憲史、清水孝彦
  • 学会等名: 日本農芸化学会2024年度大会
• [学会発表] 新規ウェルナー早老症モデルマウスの老化病態解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 澁谷修一、渡辺憲史、清水孝彦
  • 学会等名: 第31回日本医学会総会
• [学会発表] アンチエイジングの基礎 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦
  • 学会等名: 第64回日本卵子学会
  • 招待講演
• [学会発表] 骨細胞老化における統合的ストレス応答の寄与 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦、渡辺憲史
  • 学会等名: 第23回日本抗加齢医学会
  • 招待講演
• [学会発表] Wrn and Recql5 deletions promote adipose senescence and dyslipidemia (2023)
  • 著者名/発表者名: Shuichi Shibuya, Kenji Watanabe, Takahiko Shimizu
  • 学会等名: IAGG Asia/Oceania Regional Congress 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Integrated stress response caused by mitochondrial dysfunction induce age-related bone loss through nuclear deformation in osteocytes (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenji Watanabe, Shuichi Shibuya, Hidetoshi Nojiri, Takahiko Shimizu
  • 学会等名: IAGG Asia/Oceania Regional Congress 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Acai berry, the Brazilian Amazon palm plant, transiently upregulates erythropoietin by inducing a renal hypoxic condition in mice (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahiko Shimizu, Shuichi Shibuya, Kenji Watanabe, Mario Jose Villegas Yata
  • 学会等名: IAGG Asia/Oceania Regional Congress 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 核型トランスグルタミナーゼによるイトマキヒトデ胚・幼生のヒストン共有結合性二量化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 池上 晋、清水孝彦、中堅三弥子、金子洋之
  • 学会等名: 日本動物学会 第94回大会
• [学会発表] 低栄養マーカーを改善する機能性物質の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 澁谷修一、清水孝彦
  • 学会等名: 第8回NCGGサマーセミナー
• [学会発表] 青ジソに含まれるアミロイドbeta42のオリゴマー形成阻害物質の作用機構とマウスにおける生体内代謝 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村上一馬、谷輪厚太、坂口嘉紀、泉尾直孝、花木瑞穂，川瀬泰司、廣瀬賢治、清水孝彦、入江一浩
  • 学会等名: 第65回天然有機化合物討論会
• [学会発表] 老化ストレス制御によるアンチエイジング食品の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦
  • 学会等名: 食品開発展2023
  • 招待講演
• [学会発表] インスリン抵抗性はアルツハイマー病モデルマウスにおいてアセチルコリン神経系異常を伴って早期の認知機能障害を引き起こす (2023)
  • 著者名/発表者名: "泉尾 直孝、渡辺 信博、野田 義博、斉藤 貴志、西道 隆臣、横手 幸太郎、堀田 晴美、清水 孝彦 "
  • 学会等名: 第76回日本自律神経学会総会
• [学会発表] 骨細胞老化と核ラミナ構造変化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦、渡辺憲史、澁谷修一
  • 学会等名: 第96回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 老化モデルマウスにおいて加齢に伴い骨髄由来免疫抑制細胞が増加する (2023)
  • 著者名/発表者名: 徳本裕乃、畠山瑞生、前田真奈、上園帆風、森永真衣、嶋本顕、清水 孝彦、川上広宣、篠原久明、堀江一郎
  • 学会等名: 第40回日本薬学会九州山口支部大会
• [学会発表] Regulation of MMP2 restores aging-related skin atrophy induced by SOD1 deficiency (2023)
  • 著者名/発表者名: 澁谷修一、上條真弘、渡辺憲史、清水孝彦
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Mitochondria stress response induced ATF4 activation associated with nuclear deformation resulted in age-related bone loss (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡辺憲史、澁谷修一、野尻英俊、清水孝彦
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 運動器疾患のジェロサイエンス研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水孝彦、渡辺憲史、澁谷修一
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [図書] 第4版アンチエイジング医学の基礎と臨床、老化遺伝子とアンチエイジング． (2023)
  • 著者名/発表者名: 日本抗加齢医学会認定テキスト改訂編纂委員会
  • 総ページ数: 426
  • 出版者: メジカルビュー社
  • ISBN: 978-4-7583-0496-2
• [図書] 組織培養の技術 第4版、マウス胎仔線維芽細胞の樹立 (2023)
  • 著者名/発表者名: 日本組織培養学会編
  • 総ページ数: 412
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4-254-31096-2
• [備考] 国立長寿医療研究センター・老化ストレス応答研究PTホームページ
  • URL: https://www.ncgg.go.jp/ri/lab/gero/project/agingstress/index.html