筋老化制御研究

メンバー

リーダー

研究部長　小野　悠介

非常勤研究員

沖野　良輔、合田　祐貴

共同研究者（熊本大学発生医学研究所）

藤巻　慎、堀居　直希、オルツステ キロガ ハスカール ペドロ、中村 晃大、入谷 翔万、澤田 航太、三雲 陽子、権 瑞方

キーワード

骨格筋、サルコペニア、筋老化、筋萎縮、筋肥大、筋可塑性、筋適応、筋エネルギー代謝、筋再生、サテライト細胞、筋幹細胞、不均一性、ステムネス、位置特異性、ポジショナルメモリー、マッスルメモリー、マイオカイン、臓器連関、筋ジストロフィー、FSHD、幹細胞治療、再生医療

主な研究

  1. 骨格筋量を調節するメカニズムの解明と筋老化制御
  2. 骨格筋の質を規定する分子基盤の解明
  3. サテライト細胞の分子制御機構の解明と筋再生治療法の開発
  4. 筋疾患の病態解明と治療基盤の創出

研究紹介

　近年、我が国をはじめ世界的に高齢化が進行しており、それにともない増加の一途を辿る加齢性筋脆弱症（サルコペニア）が社会問題として顕在化してきました。サルコペニアを発症すると日常生活に支障をきたし、要介護リスクが増大します。骨格筋は、日常動作を司る運動器としての役割に加え、生体内最大のエネルギー代謝臓器であることから、その量や質の低下は糖尿病などの代謝性疾患の発症の引き金になります。したがって、骨格筋を生涯にわたって健常に維持することは、人生100年時代を豊かに生き抜くカギであり、膨大な医療費の削減と健康長寿社会の実現につながります。

　骨格筋は、筋力トレーニング等により負荷をかけると肥大し、逆に、運動不足、長期入院、ギブス固定での生活によって不活動状態が続くと萎縮するといった極めて可塑性に富む組織です。一方、骨格筋は激しい運動や打撲等によって損傷しても速やかに再生されます。この再生には、骨格筋の組織幹細胞であるサテライト細胞の働きが欠かせません。サテライト細胞は、筋再生のみならず、生後の筋肉の成長や筋力トレーニングによる筋肥大においても重要な役割を担います。サテライト細胞は筋再生治療への応用が期待される一方で、加齢や筋疾患においてその数や機能が低下することが知られています。当研究チームは、骨格筋の可塑性や再生の基盤的な仕組みを解明するとともに、加齢や疾患によりその仕組みが破綻するメカニズムをさまざまな角度から包括的かつ統合的に理解することで、健康寿命延伸に資する筋老化制御技術の開発に取り組みます。

1．骨格筋量を調節するメカニズムの解明と筋老化制御

　骨格筋は、身体的低活動、糖尿病、加齢、がん、急性・慢性炎症等、さまざまな状態・疾患等により萎縮します。これまで筋萎縮を誘導する上流のメカニズムについてはほとんどわかっていませんでした。近年、私たちは、身体的低活動や糖尿病の状態では血管内皮細胞から、Notchリガンドの１つであるDll4が可溶型で放出され、筋線維に発現するNotch2受容体を活性化し筋萎縮を引き起こす分子機序を発見しました（Nature Metab 2022; Methods Mol Biol 2023）。この成果は、血管由来の可溶型Dll4は、低活動のメカニカルな脱負荷と高血糖のメタボリックな過負荷という異なる状態により誘導される筋萎縮において、共通した上流シグナルとして機能することを示すものです。今後、Dll4－Notch2軸の詳細な分子機序や加齢との関連を解明し、サルコペニアに対する予防治療法開発を進めていきます。

　また、甲状腺ホルモンやエストロゲンなどのホルモンを含む生体内環境によって骨格筋の量が制御される側面（FASEB J 2016; J Endocrinol 2016; Nutrients 2017; Stem Cell Rep 2020b; Acta Physiol 2021）や、骨格筋の多臓器連関（FASEB J 2018; Front Cell Dev Biol 2019）にも焦点を当て、筋老化との関連を明らかにしていきます。

2．骨格筋の質を規定する分子基盤の解明

　骨格筋の大きさや形状は解剖学的に多様であり，その機能も身体動作のみならず，姿勢維持，呼吸，咀嚼，嚥下，表情表出等と多岐にわたります。近年、骨格筋の性質は全身を通して均一ではないことがわかってきました。私たちは、サテライト細胞の機能や遺伝子発現パターン、筋再生能、あるいは加齢や疾患による萎縮感受性は、骨格筋の部位により大きく異なることを報告してきました（Dev Biol 2010; Sci Adv 2021; Acta Physiol 2021）。このことから、高い筋再生能や筋萎縮抵抗性を保持する部位の分子基盤を解明することで、脆弱化しやすい部位を制御するためのヒントが得られると予想しています。また、私たちは、部位特異性の理解の糸口として、胎児発生過程で形成される「位置記憶（ポジショナルメモリー）」が成体の骨格筋およびサテライト細胞に内在（残存）することに着目しています（Sci Adv 2021）。ポジショナルメモリーの理解と制御を目指し、マウスを用いて全身のさまざまな部位から採取した骨格筋およびサテライト細胞の遺伝子発現アトラスの作成に現在取り組んでおり、骨格筋の位置情報の全容解明に迫ります。

　一方、運動トレーニングによる筋肥大効率や代謝的適応力には個人差があります。この個人差は遺伝的な背景だけでは説明できません。私たちは、個人差を生み出す要因として、過去の活動経験を記憶して維持する骨格筋の後天的な性質変化である「マッスルメモリー」という概念に注目しています。マッスルメモリーは，身体適応のトレーナビリティーの根幹を支える重要な機能を担っている可能性がありますが、経験的な現象論に留まっています。当研究チームは、マルチオミクス技術やマウス遺伝学を駆使してマッスルメモリーの分子基盤の解明を進めています。

　先天的形質であるポジショナルメモリーと後天的な獲得形質であるマッスルメモリーの両面からアプローチすることで、骨格筋の質を規定する制御機構の頑強性と柔軟性を包括的に理解できると考えています。

3．サテライト細胞の分子制御機構の解明と筋再生治療法の開発

　サテライト細胞は骨格筋の再生や適応の中心を担っています。サテライト細胞は、転写因子であるPax7を発現マーカーとし、通常休止期の状態で存在していますが、筋損傷等の刺激により速やかに活性化し増殖することで再生に必要な数の筋前駆細胞（筋芽細胞）を生み出します。増殖後、筋芽細胞は分化に運命付けられ、互いにあるいは既存の筋線維に融合することで最終分化を遂げます。一方、一部の筋芽細胞は分化せず、再び休止期の状態に戻り自己複製することでサテライト細胞プールを維持します。

　私たちは、サテライト細胞の幹細胞治療応用を目指しており、サテライト細胞の増殖、分化、融合、自己複製の運命決定を調節する分子メカニズムの解明に取り組んでいます（Cell Rep 2015; Physiol Rep 2015; Stem Cells 2018; Stem Cell Rep 2020a; Stem Cell Rep 2020b）。また、サテライト細胞集団の機能的不均一性に着目しており（J Cell Sci 2009; Dev Biol 2010; Cell Death Differ 2011; J Cell Sci 2012)、ステムネスを保持する一部の集団の分子特性やその加齢変容を解明し、幹細胞制御技術開発に応用します。

　当研究チームはサテライト細胞を理解し制御するための新たな培養法の開発にも取り組んでいます（Method Mol Biol 2016; Front Cell Dev Biol 2020; Bio Protoc 2022）。私たちはサテライト細胞の未分化マーカーであるPax7に着目し、内因性のPax7タンパク質をYFPで可視化できるPax7-YFPノックインマウスを作出しました (Skelet Muscle 2018)。当該マウスは、Pax7タンパク質の発現動態や機能解析に応用するとともに、未分化サテライト細胞の生細胞イメージングやFACS分取が可能になり，サテライト細胞研究の強力な解析ツールになると期待されます。

4．筋疾患の病態解明と治療基盤の創出

　私たちは、難治性筋疾患である筋ジストロフィーの治療法開発に取り組んでいます。特に、現在治療法のない顔面肩甲上腕型筋ジストロフィー（FSHD）の病態解明に注力しています。FSHDでは本来骨格筋では認められない細胞毒性をもつDUX4という転写因子が骨格筋に異所性に発現することで筋脆弱化を誘導すると考えられています。しかし，DUX4がどのように細胞毒性を発揮し、疾患発症につながるのかは明らかになっていません。FSHDマウスモデルを用いてその病態解明と治療基盤の創出を目指します。

大学院生募集

　当研究チームに大学院生として加わり、一緒に研究しませんか？そのためには、連携大学院（https://www.tmghig.jp/research/about/partner/）に所属する必要があります。リストにない大学院については柔軟に対応いたします。また、日本学術振興会特別研究員として参画希望の方もお待ちしております。出身学部や経験は問いません。ご興味のある方はお気軽にお問い合わせ下さい（連絡先：E-mail: ono(at)tmig.or.jp）。

　なおPIの小野は国内唯一の発生医学の共同研究拠点である熊本大学発生医学研究所 (https://www.imeg.kumamoto-u.ac.jp/bunya_top/muscle_development_and_regeneration/）にも所属しており、発生再生医学的な視点を取り入れて加齢医学研究を推進することが可能です。

学術論文等

英文原著（主要論文）

  1. Fujimaki S, Ono Y*. Murine models of tenotomy-induced mechanical overloading and tail-suspension-induced mechanical unloading. Methods Mol Biol. 2023 Mar 30; 2640:207-215.
  2. Fujimaki S, Matsumoto T, Muramatsu M, Nagahisa H, Horii N, Seko D, Masuda S, Wang X, Asakura Y, Takahashi Y, Miyamoto Y, Usuki S, Yasunaga KI, Kamei Y, Nishinakamura R, Minami T, Fukuda T, Asakura A, Ono Y*. The endothelial Dll4−muscular Notch2 axis regulates skeletal muscle mass. Nature Metab. 2022 Feb;4(2):180-189.
  3. Tsuchiya Y, Ono Y*. An in vitro mechanical damage model of isolated myofibers in a floating culture condition. Bio Protoc. 2022 Jan 5;12(1):e4280.
  4. Yoshioka K, Nagahisa H, Miura F, Araki H, Kamei Y, Kitajima Y, Seko D, Nogami J, Tsuchiya Y, Okazaki N, Yonekura A, Ohba S, Sumita Y, Chiba K, Ito K, Asahina I, Ogawa Y, Ito T, Ohkawa Y, Ono Y*. Hoxa10 mediates positional memory to govern stem cell function in adult skeletal muscle. Science Adv. 2021 Jun 9. 7: eabd7924.
  5. Yoshioka K, Kitajima Y, Seko D, Tsuchiya Y, Ono Y*. The body-region-specificity in murine models of muscle regeneration and atrophy. Acta Physiol (Oxf). 2021 Jan;231(1):e13553.
  6. Tsuchiya Y, Kitajima Y, Masumoto H, Ono Y*. Damaged myofiber-derived metabolic enzymes act as activators of muscle satellite cells. Stem Cell Rep. 2020 Oct 13;15(4):926-940. . Highlighted Featured Article/Most Read in Stem Cell Reports (The Best of Stem Cell Reports 2020−2021).
  7. Kitajima Y*, Suzuki N, Yoshioka K, Izumi R, Tateyama M, Tashiro Y, Takahashi R, Aoki M, Ono Y*. Inducible Rpt3, a proteasome component, knockout in adult skeletal muscle results in muscle atrophy. Front Cell Dev Biol. 2020 Sep 2;8:859.
  8. Seko D#, Fujita R#, Kitajima Y, Nakamura K, Imai Y, Ono Y*. Estrogen receptor β controls muscle growth and regeneration in young female mice. Stem Cell Rep. 2020 Sep 8;15:577-586. Highlighted. Featured Article in Stem Cell Reports.
  9. Yoshioka K, Kitajima Y, Okazaki N, Chiba K, Yonekura A, Ono Y*. A Modified pre-plating method for high-yield and high-purity muscle stem cell isolation from human/mouse skeletal muscle tissues. Front Cell Dev Biol. 2020 Aug 13;8:793.
  10. Yoshioka K, Fujita R, Seko D, Suematsu T, Miura S, Ono Y*. Distinct roles of Zmynd17 and PGC1α in mitochondrial quality control and biogenesis in skeletal muscle. Front Cell Dev Biol. 2019 Dec 10;7:330.
  11. Kitajima Y*, Suzuki N, Nunomiya A, Osana S, Yoshioka K, Tashiro Y, Takahashi R, Ono Y*, Aoki M, and Nagatomi R*. The Ubiquitin-proteasome system is indispensable for the maintenance of muscle stem cells. Stem Cell Rep. 2018 Dec 11;11(6):1523-1538. Highlighted.
  12. Fujita R, Yoshioka K#, Seko D#, Suematsu T, Mitsuhashi S, Senoo N, Miura S, Nishino I, Ono Y*. Zmynd17 controls muscle mitochondrial quality and whole-body metabolism. FASEB J. 2018 Sep;32(9):5012-5025.
  13. Kitajima Y and Ono Y*. Visualization of PAX7 protein dynamics in muscle satellite cells in a YFP-knock-in-mouse line. Skelet Muscle. 2018 Aug 24;8(1):26.
  14. Fujimaki S, Seko D, Kitajima Y, Yoshioka K, Tsuchiya Y, Masuda S, Ono Y*. Notch1 and Notch2 coordinately regulate muscle stem cell function in the quiescent and activated states. Stem Cells. 2018 Feb;36(2):278-285.
  15. Kitajima Y, Ogawa S, Egusa S, Ono Y*, Soymilk improves muscle weakness in young ovariectomized female mice. Nutrients. 2017 Aug 4;9(8). pii: E834.
  16. Kitajima Y, Ogawa S and Ono Y*. Visualizing the functional heterogeneity in muscle stem cells. Methods Mol Biol. 2016 1516:183-93.
  17. Kitajima Y, Ono Y*. Estrogens maintain skeletal muscle and satellite cell functions. J Endocrinol. 2016 Jun. 229, 267-275.
  18. Seko D, Ogawa S, Li TS, Taimura A, Ono Y*, μ-Crystallin controls muscle function through thyroid hormone action. FASEB J. 2016 May;30(5):1733-40.
  19. Masuda S, Hisamatsu T, Seko S, Urata Y, Goto S, Li TS, Ono Y*. Time- and dose-dependent effects of total-body ionising radiation on muscle stem cells. Physiol Rep. 3 (4), 2015, e12377.
  20. Ono Y*, Urata Y, Goto S, Nakagawa S, Humbert PO, Li TS, Zammit PS. Muscle stem cell fate is controlled by the cell polarity protein Scrib. Cell Rep. 2015 Feb 24;10(7):1135-48.
  21. Ono Y*, Masuda S, Nam HS, Benezra R, Miyagoe-Suzuki Y, Takeda S. Slow-dividing satellite cells retain long-term self-renewal ability in adult muscle. J Cell Sci. 2012 Mar 1;125(Pt 5):1309-17. In This Issue in J Cell Sci; ARTICLES OF INTEREST in Development
  22. Ono Y, Calhabeu F, Morgan JE, Katagiri T, Amthor H, Zammit PS. BMP signalling permits population expansion by preventing premature myogenic differentiation in muscle satellite cells. Cell Death Differ. (2011) 18, 222-234.
  23. Ono Y, Boldrin L, Knopp P, Morgan J, Zammit PS. Muscle satellite cells are a functionally heterogeneous population in both somite-derived and branchiomeric muscles. Dev Biol. 2010 Jan 1;337(1):29-41. SciVerse ScienceDirect's Top25 Hottest Articles
  24. Ono Y*, Gnocchi VF, Zammit PS, Nagatomi R. Presenilin-1 acts via Id1 to regulate muscle satellite cell function in a gamma-secretase independent manner. J Cell Sci. 2009 Dec 15;122(Pt 24):4427-38.
  25. Ono Y, Sensui H, Okutsu S, Nagatomi R. Notch2 negatively regulates myofibroblastic differentiation of myoblasts. J Cell Physiol. 2007 Feb;210(2):358-69.
  26. Ono Y, Sensui H, Sakamoto Y, Nagatomi R. Knockdown of hypoxia-inducible factor-1alpha by siRNA inhibits C2C12 myoblast differentiation. J Cell Biochem. 2006 Jun 1;98(3):642-9.

*Corresponding author; #Equally contributed authors.

英文総説

  1. Ortuste Quiroga HP, Fujimaki S, Ono Y. Pax7 reporter mouse models: a pocket guide for satellite cell research. Eur J Trans Myol. 2023 Dec 18. Review Article.
  2. Fujimaki S and Ono Y*. Notch signaling in the regulation of skeletal muscle stem cells. J Phys Fitness Sports Med, 7 (4): 213-219 (2018) Review Article.
  3. Fujita R and Ono Y*. eIF2α, a potential target for stem cell-based therapies. Stem Cell Investigation, 2016 2016 Jul 22;3:30. Editorial.
  4. Fujita R, Seko S, Ono Y*. Scribble dictates orderly stem cell fate. Oncotarget, 2015, Vol. 6, No.22.18738-9. Editorial.
  5. Ono Y*. Satellite cell heterogeneity and hierarchy in skeletal muscle. J Phys Fitness Sports Med, 3(2): 229-234, 2014. Review Article.

邦文総説

  1. 小野悠介，藤巻慎.　Notch シグナルによる骨格筋量調節. 糖尿病・内分泌代謝科，科学評論社, Vol.57, No.4, 481-478, 2023.
  2. 小野悠介. 筋萎縮の治療戦略. 糖尿病合併症, メディカル・ジャーナル社, Vol.37, No.2, 209-212, 2023.
  3. 小野悠介. TOPICS：筋肉には胎児期の位置記憶が存在する－骨格筋の部位特異性に新たな視座－. 医学のあゆみ, 281巻11号. 医歯薬出版株式会社, 2022年6月.
  4. 小野悠介. 骨格筋の身体位置記憶（ポジショナルメモリー）「実験医学増刊：骨格筋研究―代謝・運動を解き明かし超高齢社会に挑む（分担執筆）」Vol.40 , No.2, 実験医学，羊土社 2022年1月.
  5. 小野悠介. カヘキシアにおけるサルコペニアと液性因子. 医学のあゆみ, 274巻6・7号. 医歯薬出版株式会社, 2020年8月.
  6. 中村晃大，小野悠介. 顔面肩甲上腕型筋ジストロフィーの基礎研究の現状. 難病と在宅ケア Vol.25 No.8, 10-14. 2019年12月.
  7. 林晋一郎，小野悠介. 骨格筋からのサテライト細胞の単離法「実験医学増刊：超高齢社会に挑む骨格筋のメディカルサイエンス（分担執筆）」. Vol.36 No.7実験医学，羊土社 2018年.
  8. 吉岡潔志，小野悠介. がん悪液質における身体部位特異的な筋応答. 基礎老化研究. 巻：41 (3) 41-43, 2017.
  9. 北島百合子，江草信太郎, 小野悠介. 女性アスリートの三主徴とエストロゲン欠乏が骨格筋に与える影響. 日本スポーツ栄養学会誌. Vol. 10, 83-90, 2017.1.
  10. 吉岡潔志，小野悠介. サテライト細胞の部位特異性と筋の肥大・萎縮．体育の科学．2016年9月.
  11. 瀬古大暉，小川静香，小野悠介. サテライト細胞と細胞極性．基礎老化研究. 巻：40 (1) 19-25, 2016.
  12. 小野悠介. 筋サテライト細胞の不均一性「特集：特殊な幹細胞としての骨格筋サテライト細胞」生体の科学Vol.64 No.2, 2013.
  13. 小野悠介. 骨格筋部位特異的なサテライト細胞の性質と加齢による変容．基礎老化研究．巻：36 (3) 51-53，2012.

学術図書

  1. 小野悠介. 筋持久力増強運動と筋(骨格)系. 「明日の運動療法を磨く理学療法プラクティス：こだわり抜く筋持久力増強運動（分担執筆）」文光堂, 2023年.
  2. 小野悠介. がんが及ぼす影響－カヘキシア「よくわかる老年腫瘍学（分担執筆）」日本がんサポーティブケア学会編，金原出版株式会社，2023年.
  3. 小野悠介. 「運動生理学　改訂第2版（分担執筆）小山勝弘・安藤大輔編著」三共出版 2021年.
  4. Yusuke Ono. Stem cell hierarchies in muscle satellite cells. In: Sakuma K Ed., "Basic Biology and Current Understanding of Skeletal Muscle". NOVA Biomedical, 2013.
  5. 小野悠介　再生医療で用いられる細胞種の培養～骨格筋幹細胞～「再生医療事業の課題解決のための手引書（分担執筆）」技術情報協会出版, 2013年.