20240622:概日リズムのズレは健常人の骨格筋脂質組成を撹乱する

げっ歯類とヒトの骨格筋時計

概日時計遺伝子は、ヒトとマウスの骨格筋サンプルで 24 時間周期の発現を示すことがわかっています。まず、明暗について言及しますが、げっ歯類とヒトの時計遺伝子発現の日々のパターンを比較する方法として、休息/活動という記述子も含めます。コア時計遺伝子 Bmal1 と Clock は、転写翻訳フィードバック機構の正のアームとして機能し、マウスの骨格筋では、Bmal1 mRNA は暗/活動相から明/休息相への移行時にピーク発現を示します。対照的に、時計の負のアームを構成する遺伝子 Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2 は、休息相から活動相への移行前に発現のピークを示す逆位相パターンを示します 。
コア時計遺伝子の発現は、痩せたボランティアのヒト骨格筋でも測定されており、ヒト骨格筋生検で直接測定した場合 と、ヒトドナー生検から確立されたヒト一次骨格筋管の in vitro 分化によって測定した場合 の両方で測定されています。in vivo 研究では、Bmal1 の発現もヒト骨格筋で活動期から休息期への移行中にピークに達しますが、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2 は Bmal1 と逆位相であり、休息期から活動期への移行時に発現がピークに達します。Clock mRNA の発現はより変動が大きく、振幅が非常に小さい か、概日変動がありません 。in vitro での時計遺伝子の発現パターンはそれほど堅牢ではありません。分化したヒト筋管では、フォルスコリンとの同期後に Bmal1、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2 がリズミカルに発現する 。以前の研究では、デキサメタゾンとの同期後に Bmal1、Per2、Per3、Cry1 が振動することがわかった 。Hansen らは、血清ショック同期後に同じ遺伝子でリズミカルな発現がみられたが、Per1 と Cry2 は検出されなかった 。マウス骨格筋細胞株である分化した C2C12s 筋管では、デキサメタゾン同期後に Clock、Bmal1、Cry1、Per1、Per2 の発現がリズミカルに発現することがわかった 。マウスとヒトの骨格筋時計に関する利用可能なデータを直接並べてみると、発現を活動/休息サイクルに正規化すると、ヒトとマウスの骨格筋時計は非常に共通の遺伝子発現パターンを示すことがわかります。

コアクロック因子以外にも、Perrinらの研究（2018年）では、10人の健康なボランティアの骨格筋生検からハイスループットRNAシーケンシングによるゲノムワイドトランスクリプトーム解析を実施しました。Perrinらが発見した振動遺伝子と、Zhangらが以前に発表したマウス骨格筋の概日遺伝子発現データセットを比較したところ、マウスとヒトの骨格筋に共通する概日振動遺伝子が430個あることが明らかになりました。驚いたことに、昼行性のヒトと夜行性のげっ歯類のコアクロック成分の発現の位相差は、予想されていた12時間の位相差よりも短かった。これは、ヒトが 15 時間 9 時間の LD サイクルに同調されたのに対し、マウスは組織収集中に一定の暗闇に置かれる前に 12 時間 12 時間の LD に保たれたため、同調の違いを反映している可能性が高い。
また、マウスのデータセットの時間分解能は 2 時間であるのに対し、ヒトは 4 時間であり、これが位相の決定に影響を与える可能性があることにも留意する必要がある 。また、ヒトの研究は主に外側広筋の生検で行われているのに対し、マウスの研究のほとんどは腓腹筋などの下肢の筋肉を調査していることも考慮する必要がある。これまでのところ、ヒトとマウスの骨格筋タイプを直接比較するデータセットはない。
現在までに、3 つの異なるマウス骨格筋のトランスクリプトーム研究が発表されている。Dyar ら（2014）は、異なる線維タイプ構成を持つ2つの骨格筋における概日リズム遺伝子の発現を評価した。ヒラメ筋は、大部分が酸化線維であるタイプIとタイプIIの混合線維タイプで構成され、前脛骨筋（TA）は、大部分が速筋解糖線維で構成されていた。彼らはヒラメ筋で1359の概日リズム遺伝子を特定し、TAでは684の概日リズム遺伝子が見つかった。興味深いことに、CCGの大部分は各骨格筋に特異的であり、概日リズム遺伝子の75％と51％がそれぞれヒラメ筋またはTAでのみ循環していた。マウスの腓腹筋（約 75% がタイプ II 解糖系、約 12% がタイプ II 酸化系、13% がタイプ I 酸化系）を使用した概日リズム トランスクリプトーム研究では、遺伝子の 50% 以上が異なる発現を示す多様なシグネチャが見つかりました。したがって、すべての異なる骨格筋が中核的な概日リズム クロック因子を発現しますが、骨格筋間の CCG の違いは概日リズム調節の特異性を強調し、骨格筋の使用、代謝、および/または機能特性の違いを反映している可能性があります。また、性別による違いもある可能性がありますが、これまでのところ、骨格筋の概日リズム クロック メカニズムの変数としての性別に関するデータはほとんどありません。ヒトとマウスの概日リズム データ セットに共通する分子経路の 1 つに、遺伝子転写のカテゴリがあります。マウスで以前実証されたように、ヒトでは遺伝子転写物の蓄積は活動期と休息期の両方の中間にピークを迎えるリズミカルなパターンをたどっています 。活動期のピークは、ミトコンドリア活動と骨格筋収縮に関連する遺伝子の発現が増強されるという特徴があります。対照的に、げっ歯類の相同遺伝子は活動期と休息期の両方にまたがって分配されていました 。ヒトでは、休息期の中間にピークを迎える遺伝子は、免疫応答と炎症経路に富んでいました。さらに、骨格筋の代謝に関連するさまざまな転写因子が、リズミカルな発現を示しました。たとえば、骨格筋の脂質代謝の調節に重要な役割を果たす Klf15 、酸化リン酸化とグルコース恒常性を調節する Tfeb 、活動期にピークを迎える筋原性マスター調節因子 Myod1 などです。Myod1 は、活動期にピークを迎えるマウスで、強力な概日リズムの発現パターンを持つことが以前に確認されています。この初期の観察以来、Myod1 は CLOCK:BMAL1 複合体の直接の標的であること 、および骨格筋の CCG の発現を調節する時計補因子であることが研究で実証されています 。Myod1 のこの役割がマウスとヒトの骨格筋で保存されているかどうかを判断することは興味深いでしょう。転写因子に加えて、ミオカインの分泌、グルコース恒常性、脂質代謝に関与する遺伝子は、ヒトにおいてリズミカルな転写を示した。総合すると、これらのトランスクリプトームデータは、骨格筋時計がヒトおよびマウスの筋肉生理学の調節において重要な役割を果たしていることを強く示唆している。実際、骨格筋時計はヒトの安静時エネルギー消費の概日リズムに寄与している可能性があり、最低レベルは生物学的夜遅くに見られ、午後/夕方に最高レベルとなる。別の代謝変数である呼吸交換比（RER、二酸化炭素生成/酸素消費）は、生物学的朝と朝に炭水化物の酸化が優先されることを示す概日パターンを示している。
最近報告されたように、夕方には脂質酸化が促進されます 。さらに、運動パフォーマンスには日内変動があり、例えば、午後と夕方には早朝に比べて筋力、パワー、持久力が高まります 。また、健康な人では、耐糖能とインスリン感受性は午前中の方が午後よりも高いことが示されています 。さらに、ヒトの骨格筋ミトコンドリア機能には、基礎ミトコンドリア呼吸と最大限に刺激されたミトコンドリア呼吸の両方において、1日の後半にピーク、前半に谷を生じる顕著な24時間リズムがあることが示されました 。しかし、これらの例で適用された「通常の」ライフスタイルのプロトコルでは、これらの生理学的マーカーのリズムは、骨格筋時計自体の影響だけでなく、提供された食事の栄養成分（朝食や昼食と比較して夕食の脂肪含有量が高いことなど）や、採取された生検に対する食事のタイミング（ただし、生検は食後の直接的な影響を避けるため、常に各食事の直前に行われた）などの外的要因にも起因します。

運動は時計をリセットし、代謝の健康を改善するツールとなるか？
運動トレーニングは、ミトコンドリア機能、RER、骨格筋インスリン感受性など、T2DM患者の骨格筋の代謝結果を、年齢とBMIが一致する健康な対照群のレベルに回復させる効果的な戦略であることはよく知られています。これは、骨格筋機能を改善することによって行われます。運動が分子時計メカニズムを通じてその効果を発揮するかどうかはまだ研究されていません。しかし、急性運動は現在、末梢組織の時計の時間の合図であると考えられており、グルココルチコイド、摂食、中枢時計からの神経体液性入力、そしておそらく温度などの他の要因と結びついています。概日リズムレポーターPer2::Lucマウスを使用した多くの研究では、ランニング運動がいくつかの骨格筋のPer2::Luc生物発光リズムの有意な時間依存位相シフトを生み出す可能性があることが示されています。また、運動は、中枢時計内の時間的伝達を分離し、行動および生理的リズムの減少を示す遺伝子マウスモデルにおいて、概日リズムを改善できることも示されています 。Schroeder らは、これらの変異マウスを活動期/暗期の後半に車輪で走らせると、運動活動リズムの力が向上し、運動活動リズムの先端期が野生型マウスと比較して位相が変わらなくなるなど、リズム障害が改善され、中枢時計の Per2::Luc リズムの振幅が増加することを発見しました。興味深いことに、副腎や肝臓などの末梢組織における Per2::Luc リズムの位相も回復しました 。

代謝の健康のための刻み：骨格筋時計

ヒトの場合、急性運動および運動トレーニングが骨格筋時計に与える影響に関するデータはより限られています。Zambon らは、急性の抵抗運動から 6 時間後と 18 時間後に、4 人のボランティアの運動した脚と運動していない脚の骨格筋時計遺伝子の発現を比較しました 。まず、運動していない対照肢のコア時計因子の日内差を確認することができました。驚くべきことに、運動後 6 時間で Bmal1、Per2、Cry1 がアップレギュレーションされたのに対し、Per1、Cry2、Rev-erbb は変化がなかったことがわかりました。これは、骨格筋の収縮が骨格筋時計の遺伝子発現を変えるのに十分である可能性を示唆していますが、運動が生理的な全身または筋肉固有の概日リズムの結果に与える影響は調査されていません。 Youngstedt ら (2019) は、3 日間にわたって 1 日 1 時間、中程度の強度のウォーキング運動をさまざまな時間帯に実施した後の尿中メラトニン プロファイルのヒト概日位相反応曲線を調査しました 。大規模なサンプル サイズと高度に標準化された条件に基づくと、運動は午前 7 時または午後 1 時から 4 時の間に実施した場合に一貫した位相前進を引き起こし、午後 10 時に実施した場合には一貫した位相遅延を引き起こしました。このような位相前進または遅延が骨格筋時計内でも発生するかどうかを判断するには、今後の研究が必要です。日中の反復持久力運動の効果を調査した以前の研究では、薄暗い光でのメラトニン発現  と直腸温度 に基づいて位相前進が示唆されました。対照的に、急性夜間持久力運動 (3 時間) はメラトニン分泌の位相遅延を引き起こしました 。最近、運動が代謝に及ぼす時間依存的な影響について調査した研究がいくつか行われている。ある最近の研究では、急性運動の時間帯（早期休息期と早期活動期）が、マウスの骨格筋のトランスクリプトームの日周リズムを時間帯依存的に変化させることが示された。骨格筋のトランスクリプトミクスとメタボロミクスを組み合わせた解析では、早期活動期/暗期の運動は炭水化物代謝に関連する遺伝子と代謝物の概日リズムを乱すのに対し、早期休息期/明期の運動は炭水化物代謝に関連する遺伝子と代謝物の概日リズム発現を刺激し、グリセロール代謝に関連する遺伝子と代謝物のリズムを低下させることが示された。さらに、急性運動が全身のエネルギー恒常性に与える影響は、RER とエネルギー消費の振動が運動のタイミングに応じて異なる反応を示すことから、時間帯によって左右されるようです 。別の研究では、マウスの活動期における 2 つの時点、つまり消灯後 2 時間および点灯前 2 時間 (それぞれ早期および後期と名付けられています) での運動能力の違いが調べられました 。まず、最大有酸素能力の 55% および 45% での走行時間は、後期の方が長かったと報告されています。早期および後期の時点で運動していないマウスの骨格筋サンプルの遺伝子発現解析では、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体 (PPAR)、AMP 活性化タンパク質キナーゼ (AMPK)、および低酸素誘導因子 (HIF) を含む運動関連のシグナル伝達経路に日ごとの変動が見られました 。これらの経路の概日リズム調節の異常は、以前にも報告されている運動能力の日々の変動を説明する可能性がある。

これまでのところ、運動のタイミングがトレーニングの結果に与える影響を調査したヒト研究は非常に限られている。しかし、急性運動研究における上記の知見に沿って、Savikjらはランダム化クロスオーバーデザインを使用して、午前中（食後1時間）にトレーニングしたT2DM被験者と午後（食後3時間）にトレーニングしたT2DM被験者の結果を比較した。彼らは、午後に行われた2週間の運動トレーニングは、T2DM患者の24時間血糖値を改善するのに朝の運動よりも効果的であることを発見した。Ezagouriらは、午前8時（早朝）と午後6時（深夜）の2つの時点で、最大下定常負荷運動プロトコルを使用してヒトボランティアを運動させた。結果から、運動能力の日内変動が確認され、遅いグループ（早いグループと比較して）は、運動後の酸素消費量が少なく、RERが高く、心拍数が低く、血糖値が低いことが特徴でした。骨格筋時計が、運動トレーニングの異なるタイミングに応じて耐糖能の改善にどの程度寄与するかはまだ解明されていません。たとえば、食事のタイミングもこれらの結果に影響を与えている可能性があります。それでも、これらの研究は、骨格筋時計が乱れる可能性のある代謝性疾患を治療するための治療戦略として、運動タイミングの適用を継続的にテストするための根拠を提供します。

今日、ほとんど気付かれない形で、概日リズムの乱れはどこにでもあります。私たちの現代社会では、特に食べ物と人工照明は24時間利用可能です。これらの環境の合図は不規則な時間に発生し、体内のすべての時計に矛盾する時間合図を提供する可能性があります。身体活動レベルの低下に伴い、体内時計のタイミングの合図としての運動の貢献は十分に表現されていません。骨格筋は代謝の健康にとって重要な器官であり、動物と人間のデータから、概日リズムが骨格筋の代謝の健康に関係していることがわかっています。げっ歯類と人間の骨格筋時計の共通の特徴と、時計の乱れが基質代謝に及ぼす同様の影響は重要です。これらの類似点から、前臨床研究と臨床介入が将来的に連携して、骨格筋と代謝の健康に関する概日リズムの原理の理解と利用をより迅速に進めることができることが示唆されます。このような知識は、肥満と T2DM の治療と予防の選択肢を最適化するのに役立つ可能性のある、時間指定の介入の開発に役立ちます。

制御された短期的な概日リズムのずれは骨格筋脂質組成を乱すが、脂肪滴の形態は変化しないことが明らかになった。骨格筋の内因性時計に強く従う脂質クラス、ずれによって一般的に低下する脂質クラス、新しい行動に適応する脂質クラスを区別することができた。特定された脂質クラスが急性期に観察される骨格筋インスリン抵抗性にどのように寄与し、また、反復的なシフト勤務による T2DM 発症リスクの慢性的な増加にどのように寄与するかをメカニズムで評価する必要がある。