骨格筋代謝とリモデリングの老若差
ハイライト
骨格筋のメタボロームは 24 時間で大きく変化します
ほとんどの筋肉代謝産物は、代謝が低下した高齢の男性では豊富ではありません。
24時間のリズムは、若くて健康な男性と、代謝が低下した高齢の男性では異なります。
グループ間の最大の違いは夜間に特定される
概日リズムと代謝需要
痩せている人では、骨格筋は人体の質量の約 40% を占め、全身のエネルギー消費に最も大きく寄与します。代謝需要（安静時と身体活動時）および栄養状態（絶食時と摂食時）に応じて、健康な骨格筋は基質の貯蔵を迅速に調節し、グルコースまたは脂肪の利用可能性に合わせて基質の酸化を調整できます。 24 時間サイクルにわたって、骨格筋代謝は、摂食時および活動期間中の主な炭水化物酸化から、絶食時および不活動期間中の脂質酸化へと切り替わります。人間の骨格筋代謝におけるこの予測可能な摂食・絶食サイクルは、全身的な時間の合図を時計に提供するだけでなく、時計を介して強化も受け取ることにより、筋細胞に存在する内因性の分子#概日時計と相互に関連しています。
他の末梢時計と同様に、骨格筋時計は、概日運動出力サイクル kaput (CLOCK) と、クリプトクロム 1およびクリプトクロム の転写活性化因子として機能する脳および筋肉のアリール炭化水素受容体核内輸送物質様 (BMAL1) を備えた転写翻訳フィードバック ループで構成されています。 ( Cry1–2 ) および周期 および ( Per1–3 ) 遺伝子。そのコードされたタンパク質は、約 24 時間の繰り返し周期で CLOCK:BMALを抑制します。したがって、ヒト骨格筋のトランスクリプトーム(転写産物の約 10% 8 )、リピドーム(脂質の約 12% ～ 20% )、およびメタボローム(代謝産物の 4% ～ 7% ) の関連する割合は 24 時間を示します。注目すべきことに、骨格筋の代謝における 24 時間のリズムは、内因性の骨格筋時計によって調節されるだけでなく、光への曝露のタイミング、食物摂取、および身体活動によっても影響されます。したがって、これらの要因の予期せぬ発生により、人間の代謝における 24 時間のリズムが変化したり、鈍くなったりする可能性があります。私たちの現代の 24 時間文化は、昼夜を問わず食事と労働、睡眠の減少、夜間の過剰な光への曝露を特徴としており、代謝の健康に悪影響を及ぼし、次のような代謝性疾患を発症するリスクの増加と関連していることがますます認識されてきています。2型糖尿病（T2DM）は骨格筋のインスリン抵抗性と関連していることがよくあります。興味深いことに、ガブリエルらは最近、T2DM のドナーからの培養初代筋管の時計遺伝子発現のリズム性が、年齢と BMI が一致した正常血糖の対照と比較して変化していることを、 14 人に発見しました。同様に、我々は、若くて健康な男性と比較して、代謝が低下した高齢の男性では骨格筋時計遺伝子の発現が変化しており、Per2とCry1の24時間リズムが変化しており、時計には24時間のリズム性が欠けていることを実証した。さらに、全身基質酸化の 24 時間のリズムは、若くて健康な男性と比較して、代謝が低下した高齢の男性では鈍かった。若くて健康な男性は日中の炭水化物の酸化から夜間の脂質の酸化への切り替わりを示しましたが、この基質酸化の摂食時から絶食時への移行は、代謝が低下した高齢の男性では大幅に弱まっています。
骨格筋は全身の基質代謝の主要な決定要因であるため、骨格筋メタボロームの時間的構成が代謝健康スペクトルの境界間でどのように異なるかを検討することは非常に興味深い。骨格筋メタボロームの 24 時間リズムが、若くて健康な男性と比較して、代謝が低下した高齢の男性では乱れていると考えられる。筋肉代謝産物のこのような時間的変化は、24時間全身の基質代謝の混乱と筋時計遺伝子発現の障害がどのようにして現れるのかについての機構的な知見を提供する可能性がある。
2つの別々の横断コホート研究で、以前、若くて健康な男性と代謝が低下した高齢の男性において、標準化された3食の食事をとった実際の条件下で、全身基質代謝と骨格筋代謝が24時間にわたってどのように変化するかが報告された。これらの以前に報告されたデータを組み合わせることで、呼吸交換比（RER）、深部体温、血漿代謝物、骨格筋時計遺伝子発現に関する若年健康（YH）男性と代謝不全（OMC）高齢男性の日内差異が要約されます。
ほとんどの代謝産物の平均存在量レベルは、OMC男性とYH男性の間で大幅に異なります
YH と OMC の男性の間の骨格筋メタボロームの全体的な違いについての第一印象を得るために、まず一般化線形混合モデルで有意な条件効果を持つすべての代謝物を調べました。この探索的分析は、グループ間で平均存在量レベルを 24 時間比較することに相当します。分析された115の代謝物のうち、64の代謝物（約56％）はグループ間で変化した平均存在量レベルを示し、これらの代謝物の大部分はOMC男性の方がYH男性よりも低いレベルでした。115 個すべての代謝物をそれぞれの上位代謝経路に割り当てることで、グループ間で割り当てられた代謝物の平均存在量レベルの変化に関して、特定の経路における全体的なパターンを調査しました 。トリカルボン酸（TCA）サイクルに関連する検出された代謝産物から、シス-アコニテート、グルタミン、グルタミン酸、およびα-ケトグルタル酸は、OMC男性における平均存在量レベルが低いことが示されました（条件：p < 0.001）。mRNAレベルでは、 TCAサイクルの第2段階でシス-アコニテートを介したクエン酸からイソクエン酸への相互変換を触媒するミトコンドリアアコニターゼ2をコードするAco2も、OMC男性における平均発現レベルが低いことが示されました。対照的に、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、アセチル-CoA、およびクエン酸はグループ間で差がなく、 OMC男性ではアミノ酸を介したスクシニル-CoAレベルでのアナプレロシス補償が示唆されている。さらに、ケトン代謝に関連する 2- または 3- ヒドロキシ酪酸は、OMC の男性ではより低いレベルを示しました (p < 0.001)。クレアチンとクレアチニンもOMC男性の方が低かった(p < 0.01)。尿素回路に関連して、 OMC男性ではアセチルグルタミン酸、アスパラギン酸、アルギニン、尿酸、グルタミン、グルタミン酸、オルニチンが24時間低下していました（p ≤ 0.001）。システイン、グルタチオン、 NADH、NADP + 、NADPH、ピログルタミン酸など、酸化還元反応に関与するいくつかの代謝産物は、OMC男性ではそれほど豊富ではありませんでした（p < 0.05）。それにもかかわらず、NAD + /NADH と ADP/ATPの比は両方とも、OMC 男性の平均レベルが高かった。
24 時間の平均存在量レベルの最初の比較では、解糖とヘキソサミン生合成代謝の初期段階に関連する代謝物を除き、OMC 男性の存在量レベルがほとんど低いグループ間の骨格筋メタボロームに大きな違いがあることが明らかになりました。これはOMC男性の方が高かった。OMC男性におけるPgk1 mRNAレベルの低下は、OMC男性における解糖の初期段階から後期段階への変換におけるボトルネックと一致しています。
OMC男性とYH男性の最大の違いは午前4時に現れる
次に、OMC男性とYH男性の間の代謝物レベルの全体的な違いが特定の時点に起因する可能性があるかどうかを調査しました。驚くべきことに、グループ間の筋肉メタボロームの最大の差異は夜間午前4時に見つかり、検出された代謝産物の33%（115個中38個）でグループ間の差異が示されました。
一晩絶食した状態では、午前 8 時に 23 個の代謝物 (20%) がグループ間で異なりました。対照的に、食後の日中の違いはそれほど顕著ではなく、午後 1 時には 16 の代謝物 (14%)、午後 6 時には 15 の代謝物 (13%) に違いがありました。以前に夜間に観察された全身基質代謝の大きな違いと一致しています。YHの男性は日中の炭水化物の酸化から夜間の脂質の酸化に切り替わるのに対し、OMCの男性は夜間に炭水化物の酸化を維持しました。
OMC男性では骨格筋メタボロームの24時間リズムが部分的に変化する
律動性代謝物と不整脈性代謝物
24 時間にわたる筋肉組織の連続サンプリングにより、代謝産物の 24 時間のリズムを分析することができました。2 つのグループのうちの少なくとも 1 つでは 70 個の代謝物が 24 時間の律動性を示しましたが、45 個の代謝物は両方のグループで不整脈を示しました 。YHおよびOMC男性のほとんどのリズミカルな代謝物のピーク存在量レベルは午前8時に発生し、一晩の絶食および/または睡眠中の継続的な身体活動の欠如が筋肉のメタボロームに及ぼす上位の影響を示唆しています。注目すべきことに、解糖系およびペントースリン酸経路に関連するほとんどの代謝物は不整脈を起こしており、これらの経路が分子時計や人間の行動(摂食など)などの環境リズムによって厳密に制御されていないことを示唆しています。対照的に、検出されたTCAサイクルに関与する代謝産物は、両方のグループ（シス-アコニテート、アルファ-ケトグルタル酸、グルタミン酸、フマル酸、リンゴ酸）または少なくとも一方のグループ（YH男性：アセチル-CoAおよびコハク酸、OMC男性）のいずれかで一貫してリズミカルでした。 : クエン酸塩およびAco2の転写レベル)。ほとんどのTCA代謝物は同様のリズムパターンを共有し、アセチルCoA（午後1時にピーク）とクエン酸塩（午後6時にピーク）を除き、最長時間の絶食および休息の後の午前8時にピークに達しました
一部の代謝物は、YH男性のみまたはOMC男性のみで24時間のリズム性を示した
リズミカルな代謝物の中で、まず 2 つのグループのうちの 1 つでのみリズミカルである代謝物に焦点を当てると、YH 男性ではリズミカルのみである 14 個の代謝物と、OMC 男性ではリズミカルのみである 22 個の代謝物が見つかりました 。たとえば、 OMC男性では3つの分岐鎖アミノ酸（BCAA）すべて（イソロイシン、ロイシン、バリン）がリズミカルであり、午前4時または8時にピークを迎え、午後6時に一貫して谷を迎えることが特徴でした。これは、分子時計による制御、または人間の行動（例：摂食/絶食および/または活動/休憩サイクル）による制御のいずれかを示唆しています。しかし、YH男性のBCAAについても同様のパターンが観察され、イソロイシンの24時間のリズムに関してのみ統計的有意性に達した。したがって、これらの代謝産物のどれがグループ間のリズム性において最も強く異なるかをテストするために、一般化線形混合モデルを使用してより厳密な分析を適用し、相互作用効果をさらにテストしました。この分析により、これら 36 の代謝産物の一部についてのみ相互作用効果が明らかになりました。YH 男性ではアデノシンの 24 時間のリズム性が見られ、夜間に増加 (午前 4 時にピーク) しましたが、これは OMC 男性の安定したパターンとは異なりました 。 さらに、グリセリン酸、キヌレニン、およびオフタルミン酸の 24 時間周期性は、OMC の男性でのみ見つかりました。グリセレートは午前 8 時にピーク、午後 11 時に谷を持ち 、キヌレニンは午後 11 時にピーク、午後 1 時に谷を持ち 、オフタルミン酸は午後 1 時にピーク、午前 4 時に谷を持ちました。転写レベルでは、 OMC男性ではGfpt1 mRNAのみがリズミカルで、午前8時にピークに達し、グルコース存在量レベルのリズミカルなパターンに従いましたが、YH男性と比較して相互作用効果は見つかりませんでした。
2 つのグループのうちの 1 つのグループのみで 24 時間のリズム性を示した代謝物に焦点を当てることにより、YH の男性と比較して、OMC の男性ではアデノシンのリズム性の欠如と、グリセリン酸、キヌレニン、オフタルミン酸のリズム性の存在が確認されました。
骨格筋メタボロームにおける 24 時間のリズムの全体的な存在は、OMC と YH の男性の間で同等であるように見えましたが、24 時間のリズムの特定の特性はグループ間で異なるという考えられていました。
最も顕著なのは、OMC男性では38の代謝物のうち21がより低いメソルレベルを示しました。これは、前述したOMC男性の平均存在量レベルが低いという全体的なパターンと一致していますが、ADP-リボースのみがより高いメソルレベルを示しました。 OMC男性の場合（p < 0.001）。OMC男性では、YH男性と比較した場合、シス-アコニテート（p = 0.013）、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD; p = 0.001）、およびUDP（p = 0.036）で位相シフトが検出されました。 FAD は最大の位相シフトを示します。振幅が変化した代謝産物は 2- または 3- ヒドロキシ酪酸 (p = 0.022) と馬尿酸(p < 0.001) の 2 つだけであり、どちらも OMC 対 YH 男性でより小さな振幅を示しました 。9 つの代謝物 (アスパラギン、CDP、フマル酸、ヒスチジン、イタコン酸、リンゴ酸、プロリン、セリン、タウリン) については、グループ間でメゾル、振幅、または位相の違いは検出されず、分子時計または人間の日周性による制御のいずれかが示唆されています。代謝の健康状態とは無関係な行動でした。
グループ間で最も大きな差異を示した経路について、転写レベルの相補的な分析を実行しました。グルコース代謝に関連する、Slc2a4、Irs1、Hk2（図4A〜4C）、およびGys1は、 Hk2を除いて、OMC男性のメソルレベルが低かった両グループですべてリズミカルでした（p < 0.001）。基質の酸化に関しては、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体デルタをコードする Pparδ とピルビン酸デヒドロゲナーゼ キナーゼ 4 をコードする Pdk4 の mRNA レベルは、どちらもグルコース酸化よりもミトコンドリアの脂肪酸酸化を促進することが知られていますが24 時間のリズム性を示し、 Pparδ は24 時間でピークに達しました。午後６時に、Ｐｄｋ４は午前４時に強くピークに達したが、グループ間で差異は見られなかった。また、我々は、最初の研究では分析されなかった追加の時計遺伝子のmRNAも分析しました。Per1 はグループ間で変化しませんでしたが、Per3 はOMC 男性でより大きな振幅を示しました (p = 0.017)。Rorαは、Per2およびCry1と一致して、グループ間で位相シフトしました(p < 0.001)。
まとめると、両方のグループで 24 時間のリズム性を示した骨格筋メタボロームの割合内のリズム的特徴を比較することにより、中間期、頂相、振幅に関して OMC と YH の男性の間で顕著な違いが特定されました。OMC男性におけるメソルレベルの低下は、24時間のリズムとは無関係に、検出されたほとんどの代謝産物の平均存在量レベルがほぼ低いという全体的なパターンと一致していた。
まとめ
ヒトの代謝性疾患では、24 時間の全身基質代謝と骨格筋内の概日時計の両方が損なわれます。若い健康な男性（YH）と代謝が低下した高齢の男性（OMC）を対象に、24時間の実際の条件下で実行された連続筋肉サンプリングにより24時間の筋肉メタボロームを評価しました。OMC男性では、解糖とヘキソサミン生合成の初期段階に関連する代謝物が24時間多くなっていますが、グルタミン-アルファ-ケトグルタル酸、ケトン、酸化還元代謝に関連する代謝物はOMC男性では低いことがわかりました。 夜間は、異なる発現を示す代謝産物の数が最も多くなります。どちらのグループもメタボロームの半分で 24 時間のリズム性を示しますが、リズミカルな代謝物は部分的にのみ重複します。特定の代謝物は、YH 男性ではリズミカルにのみ（アデノシン）、OMC 男性では位相がシフトします（シス-アコニテート、フラビン アデニン ジヌクレオチド[FAD]、およびウリジン二リン酸[UDP]）、または OMC 男性では 24 時間振幅が減少しています（ヒドロキシ酪酸と馬尿酸）。24 時間にわたる骨格筋メタボロームの可塑性と、代謝健康スペクトル全体での大きな相違を強調しています。
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