理研、カルシウム枯渇の指標となる多層化した小胞体膜構造を発見

筋肉を動かすカルシウムは筋肉を作る指令役も担う
−カルシウム枯渇の指標となる多層化した小胞体膜構造を発見−


＜要旨＞
　理化学研究所（理研）中野生体膜研究室の中西慶子　元協力研究員（現　理研小林脂質生物学研究室協力研究員）、森島信裕　元専任研究員（現　理研小林脂質生物学研究室専任研究員）らの研究チームは、マウスの筋芽細胞内の小胞体［１］と呼ばれる細胞小器官［２］を観察し、小胞体内カルシウム濃度の低下が骨格筋形成前に起こり、筋分化のシグナルとして働くことを見いだしました。

　哺乳類の骨格筋［３］は筋繊維細胞の束で構成されています。筋繊維細胞は、数多くの筋芽細胞が繰り返し細胞融合を起こして１つになった多核細胞です。筋芽細胞の融合には、遺伝子発現の変化とそれに応じたタンパク質発現の変化が必要です。遺伝子発現の変化は筋芽細胞外からのシグナルを受け取ることによって開始されますが、研究チームは細胞内でも小胞体からシグナルが発信され、筋分化を制御していることを発見していました。小胞体がシグナルを発信するのは小胞体内がストレス環境（小胞体ストレス［４］）にある時です。小胞体ストレスはさまざまな原因で起こりますが、筋芽細胞内でどのような変化が起こり、小胞体ストレスを引き起こしているかは不明でした。

　研究チームは、筋芽細胞から骨格筋が形成される過程で小胞体に生じる形態的な変化を蛍光標識によって観察しました。その結果、小胞体が部分的に変形して球やリング状に見える特殊な構造が一過的に形成されることを発見しました。研究チームはこの構造をSARC体［５］（Stress　Activated　Response　to　Calcium　depletion　body）と名付けました。SARC体を解析したところ、小胞体内のカルシウムが枯渇することによって形成されることが分かりました。小胞体内のカルシウム枯渇は小胞体ストレスの主な原因の１つです。また、小胞体からカルシウムを放出するタンパク質のチャネル［６］をふさいでカルシウム枯渇を防ぐとSARC体はできず、小胞体ストレスが見られなくなり、筋繊維細胞の形成も起きなくなりました。骨格筋の収縮はカルシウムが小胞体から放出されたり、再び取り込まれたりすることで制御されています。つまり、小胞体からのカルシウム放出は筋肉を動かしているだけではなく、筋肉を作るためのシグナルとしての役割も担うことになります。この研究成果は、筋芽細胞におけるカルシウム濃度を人為的に制御することによって骨格筋形成を促進する方法の開発にもつながる可能性があります。

　本研究成果は、米国の科学雑誌『The　FASEB　Journal』オンライン版（２月１２日付け）に掲載されました。


＜背景＞
　細胞小器官の１つ小胞体内では、細胞表面にある膜タンパク質や細胞外に分泌されるタンパク質が作られています。また、小胞体はカルシウムの貯蔵器官であり、カルシウムを放出することにより細胞内のカルシウム濃度の調節を行っています。

　正常な立体構造を持つように正しく折り畳まれなかった異常タンパク質や、部分的にほどかれた状態の異常タンパク質が小胞体内に蓄積すると、小胞体の機能が低下した「小胞体ストレス」と呼ばれる状態が発生します。小胞体ストレスが生じると小胞体膜上のセンサータンパク質が働き、細胞はすかさず遺伝子発現調節やタンパク質翻訳調節［７］を行って恒常性を保ちます。

　小胞体ストレスは小胞体で作られるタンパク質に変異が生じているときや、合成量が非常に多いときに起こりやすく、また、酸化ストレス、ウイルス感染、小胞体内カルシウム濃度の低下などの要因でも起こります。これまでに明らかになっている小胞体ストレスは、ほとんどの場合、病的な状態にある細胞で見られるものでした。

　哺乳類の骨格筋は筋繊維細胞の束で構成されています。筋繊維細胞は、数多くの筋芽細胞が繰り返し細胞融合を起こして１つになった多核細胞です。研究チームは以前、筋芽細胞が細胞融合する前に小胞体ストレスが生じている証拠［８］を見つけました。しかも、小胞体ストレスに応答して起こる遺伝子発現調節を阻害すると筋分化が進まなくなることも発見しています（注））。これは、正常な筋分化過程において小胞体ストレスが必要であることを示唆しています。しかし、筋芽細胞内で小胞体ストレスがどのようにして生じるかは不明でした。

　注）２００５年５月２３日プレスリリース「筋肉組織の構築に細胞ストレスが必要なことを発見」
　　　＞http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2005/20050523_1/20050523_1.pdf
　　　２００７年４月１６日プレスリリース「細胞内ストレスを利用して収縮する筋細胞を作る」
　　　＞http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2007/20070416_1/20070416_1.pdf


＜研究手法と成果＞
　研究チームは、マウスの筋芽細胞から筋肉が形成される過程で小胞体に生じる変化を観察しました。筋芽細胞の小胞体膜を蛍光物質で標識すると特徴的な網目構造が可視化されます（図１A）。筋芽細胞を分化誘導培地に置くと、細胞が同じ向きに整列し、次いで細胞融合が起こります。細胞融合の直前になると網目構造に加えて、小胞体が部分的に変形して球やリング状に見える特殊な構造が生じることを発見しました（図１B）。

　この構造は細胞融合が進んでもしばらくの間存在していましたが、核を１０個程度含む多核細胞になる頃から徐々に小さくなり、やがて検出できなくなりました。また、今回発見した構造体は、小胞体からカルシウムが細胞質基質へ放出されて小胞体内のカルシウム濃度が低下すると生じることが示唆されました。そこで、小胞体カルシウムの出口となっているカルシウムチャネルをふさぐ薬剤で筋芽細胞を処理したところ、構造体は形成されず、細胞融合の前に生じるはずの小胞体ストレスも見られなくなり、細胞融合も起こらなくなりました（図２）。従って、筋分化過程の進行には小胞体内カルシウム枯渇が必要だと考えられました。

　この結果は、正常な筋分化過程にとって必要な小胞体ストレスが、小胞体内のカルシウム濃度低下に依存していることを示しています。小胞体内にカルシウムを取り込んでいるポンプタンパク質を阻害すると、カルシウム濃度が徐々に低下して数分の一以下になり、やがて枯渇状態になります。筋芽細胞をポンプ阻害剤で処理したところ、筋分化過程で見られた小胞体の特殊な構造に非常に似たものが形成されました（図１C）。そこで、筋分化過程で生じる構造体をSARC（Stress　Activated　Response　to　Calcium　depletion＝カルシウム枯渇によるストレスが引き起こす応答）体と名付けました（図３）。

　SARC体はマウス胎仔の骨格筋形成過程においても観察されました。このSARC体を電子顕微鏡で観察したところ、小胞体膜が多層化し、“タマネギ”の葉（鱗茎）の重なりに似た同心球状の構造をしていることが分かりました（図３写真）。

　研究チームは以前、小胞体ストレスが筋分化の進行にとって必要なことを示しています。今回の成果は、小胞体内カルシウムの枯渇が小胞体ストレスの原因であることを示唆しています。これは筋分化過程において小胞体内カルシウムの枯渇が生理的な現象としてプログラムされていることを意味します（図４）。

　骨格筋の収縮はカルシウムが小胞体から放出されたり、再び取り込まれたりすることで制御されています。従って、小胞体のカルシウムは筋肉を動かしているだけではなく、筋肉を作るためのシグナルを発信する役割も担うことになります。


＜今後の期待＞
　筋分化過程において、あらかじめプログラムされたカルシウム枯渇が起こるメカニズムを解明すれば、筋分化の制御機構がより詳細に理解できるようになります。従来の細胞内カルシウム研究においては、細胞質基質のカルシウム濃度が上昇し、カルシウム結合タンパク質［９］を活性化させる現象に主な焦点が当てられてきました。本研究によって見つかった現象は、小胞体内カルシウム濃度の減少が小胞体ストレスを生み、シグナル発信のきっかけになっている点に特徴があります。今後は、通常はカルシウムによって活性が抑制されているタンパク質が、筋分化過程でカルシウム濃度が減少したときにどのような生理的機能を果たすのかも注目されることでしょう。また、筋芽細胞内の小胞体内カルシウム濃度を人為的にコントロールすることができれば、筋芽細胞の融合を促進させて筋肉作りの効率を上げることにつながります。これは病気や高齢化などに伴う筋萎縮の予防や改善にも役立つ可能性があります。


＜原論文情報＞
　・Keiko　Nakanishi，Kisa　Kakiguchi，Shigenobu　Yonemura，Akihiko　Nakano，and　Nobuhiro　Morishima，“Transient　Ca2＋　depletion　from　the　endoplasmic　reticulum　is　critical　for　skeletal　myoblast　differentiation”，The　FASEB　Journal，doi：１０．１０９６／fj．１４−２６１５２９


＜発表者＞
　独立行政法人理化学研究所
　主任研究員研究室（http://www.riken.jp/research/labs/chief/）　小林脂質生物学研究室（http://www.riken.jp/research/labs/chief/lipid_biol/）
　協力研究員　中西　慶子（なかにし　けいこ）
　専任研究員　森島　信裕（もりしま　のぶひろ）

　※補足説明・図１〜４は添付の関連資料を参照