阐明高龄骨骼肌中肌干细胞数量减少的机制

2023年10月19日 国立研究开发法人国立精神神经医疗研究中心( NCNP ) 

  阐明高龄骨骼肌中肌干细胞数量减少的机制 添加〜NAD+激活线粒体功能是预防肌萎缩的关键 国立精神神经医疗研究中心( NCNP )神经研究所基因疾病治疗研究部的本桥纪夫室长、峰岸假发室长、青木吉嗣部长的研究小组，阐明了随着年龄的增长骨骼肌干细胞数减少的部分机制。 此外，研究人员还发现，通过给予烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( NAD+ )前体(注1 )烟酰胺单核苷酸( NMN )，线粒体功能恢复有助于维持肌干细胞数。 本成果首次展示了预防或治疗作为社会问题的肌氨酸的关键可能性。 研究成果刊登在学术杂志《Cell Death & Disease》在线版上，时间为2023年10月19日14点30分(日本时间)。 研究背景 作为全身最大的组织的骨骼肌，与日常生活的身体活动有很大的关系，但受到伤害时具有再生、肥大萎缩的能力。 在它的中心作用是存在于骨骼肌中的肌干细胞(注2 )。 当肌肉断裂时，这个细胞会增殖、分化，形成新的肌肉纤维进行修复，或者在进行肌肉力量训练时，被肌肉纤维动员起来帮助肌肉肥大。 因此，维持肌肉干细胞的数量对于维持肌肉再生和肌肉肥大的能力也非常重要。 但是，这种肌干细胞的数量会随着年龄的增长而减少。 于是，肌肉萎缩加剧，跌倒等导致受伤的风险上升，再加上受到伤害的肌肉修复延迟，导致患者陷入卧床不起，最终导致肌病恶化。 有趣的是，肌肉干细胞数的减少不会在全身均匀地发生，而是存在容易受到年龄增长影响的部位和不容易受到影响的部位。 也就是说，我认为那里隐藏着维持肌干细胞数量的提示。 因此，本研究旨在通过比较来源于各种肌肉(股四头肌、胫前肌、比目鱼肌、膈肌、外眼肌)的肌干细胞功能特性，明确维持肌干细胞数量的机制，从而开发针对肌氨酸的防治疗法。 概要 骨骼肌中存在根据收缩速度的差异分类的两种肌纤维类型(速肌慢肌) (注3 )。 我们以前曾发现，各种肌纤维类型中存在的肌干细胞具有不同的功能( Motohashi et al .，Cell Death Differ .，2019 )。 本研究进一步利用从各种骨骼肌中分离培养的肌细胞进行基因表达分析，研究来源的骨骼肌部位与肌干细胞功能的关系(图1 )。 结果显示，来源于各种骨骼肌的肌干细胞的基因表达模式各不相同(图2 )。 特别是比较来源于同一个速肌纤维形成的股四头肌或胫前肌的肌干细胞的基因表达，发现其模式有很大不同(图2 )。 也就是说，肌干细胞的能力不受各肌干细胞存在的肌纤维类型的影响，反而根据来源的肌组织而不同。

 图1使用来自各种肌组织的肌细胞的基因表达分析

图2组织来源不同肌细胞基因表达模式不同

  随着年龄的增长，肌肉干细胞的数量在很多骨骼肌中会减少，但其中也存在难以减少的骨骼肌部位。 特别是比目鱼肌很难受到年龄增长的影响，与胫前肌相比也明显维持了肌干细胞的数量(图3 )。 因此，我们使用来自比目鱼肌和胫前肌的肌干细胞进行了蛋白质组学分析(注4 )。 结果表明，在比目鱼肌来源的肌细胞中，形成线粒体复合体的蛋白质ND ufs8( NADH:ubi quinone oxidoreductase core subunit S8 )有较高表达。 并且，Ndufs8基因表达随着年龄的增长而减少(图4 )，因此可能与肌氨酸相关。

图3比目鱼肌与胫前肌相比肌干细胞数量不易减少

图4 Ndufs8基因表达随年龄增长而减少

有研究表明，在肌细胞中过度表达Ndufs8基因可能与1 )线粒体形态改变，2 )抑制肌细胞的细胞死亡，3 )促进肌干细胞的产生(图5 )。

图5 Ndufs8基因过度表达可抑制细胞死亡，产生肌干细胞

 另一方面，由于肌细胞内Ndufs8基因表达降低的话，细胞内NAD+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)量减少，被称为长寿基因的Sirtuin的活性降低，结果发现p53蛋白活化会诱导细胞死亡 因此，对于Ndufs8表达降低的肌细胞，如果添加NAD+的前体NMN (烟酰胺单核苷酸)，则细胞内NAD+量恢复而使p53蛋白质失活，结果抑制细胞死亡，在培养条件下可以得到更多的 再加入NMN将培养的细胞移植到小鼠骨骼肌中，产生了很多肌干细胞和肌纤维。 也就是说，对年龄增长的肌细胞进行NAD+补充，有可能对维持肌干细胞数有效(图6 )。

图6 NMN激活去乙酰化酶促进肌干细胞的产生

今后的展望 我们认为，本研究基于对因年龄增长导致的肌干细胞数减少的机理的阐明，预计将有助于肌氨酸的新治疗方法的开发，对健康寿命的增进也有很大的贡献。 近年来，在包括糖尿病在内的各种疾病中，此前也有肌干细胞数减少以及组织内NAD+量减少的报告，可以预想与此次发现的机制相同的机制也有关联。 因此，本研究取得的成果，不仅是现在成为社会问题的肌氨酸，也有望成为开发针对生活习惯病等各种疾病的防治疗法的重要线索。 另外，骨骼肌量有可能对认知功能产生影响，期待该研究成果能波及到各种神经肌肉疾病的防治开发。 术语说明 (注1 )前驱体 关于某种物质，是指该物质生成前阶段的物质。 进入生物体内的NMN会转化为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( NAD )这种辅酶，帮助能量的产生等。 (注2 )肌干细胞 指存在于骨骼肌中的组织干细胞，也称为肌卫星细胞。 存在于肌肉纤维和基底膜之间，当肌肉感知到刺激时会增殖，移动到需要的地方，帮助肌肉再生和肥大。 (注3 )肌纤维型 骨骼肌有速肌和慢肌两种。 速肌的收缩力很好，适合爆发性运动，但具有容易疲劳的性质。 迟肌虽然收缩力慢，但适合持久的运动，具有不易疲劳的性质。 (注4 )蛋白质组学分析 是全面分析细胞和组织中含有的蛋白质的方法。 原着论文信息 论文名称: inherited myogen IC abilities in muscle precursor cells defined by the mitochondrial complex I-encoding protein 作者: Motohashi N，Minegishi K and Aoki Y 刊登杂志: Cell Death & Disease doi:10.1038/s41419-023-06192-2。 研究经费 本研究结果来自日本学术振兴会( JSPS )科学研究费基金基础研究( c )“老年性肌萎缩的机制阐明及防治疗法开发”( 18K11067 )、国立精神神经医疗研究中心精神神经病研究开发费2-5、武田科学振兴财团、上原纪念生命科学财团、中富健康科学振兴财团以及持田纪念医学药学振兴财团的支持下进行。 咨询方式 【研究相关咨询】 国立精神神经医疗研究中心 神经研究所基因疾病治疗研究部 青木吉嗣 邮编〒187-8502东京都小平市小川东町4-1-1 TEL:[phone] Email:tsugu56(a ) ncnp.go.jp 本桥纪夫 Email:nmotohashi(a ) ncnp.go.jp 【报道相关咨询】 国立精神神经医疗研究中心 总务科宣传室宣传系 邮编〒187-8551东京都小平市小川东町4-1-1 TEL:[phone] (代表)传真: [phone] Email:ncnp-kouhou(a ) ncnp.go.jp ※E-mail请将上述地址( a )的部分改为@后使用。