【解説】
超高齢社会を迎えた我が国では，寝たきり患者の増加が社会 問題となっている．寝たきりにより，機械的負荷が減少する ことで骨格筋は萎縮し，また機能が著しく障害される．これ を廃用性筋萎縮と呼ぶが，これに対する有効な予防法，治療 法は未だ確立されていない．ここでは，筋萎縮のメカニズム と，現在までに報告されている筋萎縮に対して有効と考えら れている食品成分について紹介する．
我が国は平均寿命，健康寿命が世界トップクラスであ るが，寝たきり高齢者の割合も他国と比較して高くなっ ている．超高齢社会に突入し，寝たきり患者の数はさら に 年 々 増 加 し て お り，こ れ は 本 人 の quality of life
（QOL） の低下を招くだけでなく，医療費の圧迫など大 きな社会問題となっている．また，国際宇宙ステーショ ン内「きぼう」日本実験棟が完成し，日本人宇宙飛行士 の長期間の滞在が可能となった．このような，寝たきり 患者や宇宙飛行士に共通して起こる問題が，廃用性筋萎 縮である．廃用性筋萎縮とは，骨格筋に機械的な負荷が
ほとんどかからない （Unloading） 状態で起こる骨格筋 の萎縮であり，骨格筋としての機能は著しく障害され る．実際に，日本人宇宙飛行士の下肢筋量は1日約1%
もの減少が認められている．現在，筋萎縮を予防できる 唯一の方法として，運動（リハビリテーション）が取り 入れられているが，宇宙では1日に何時間ものトレーニ ングを必要とし，必ずしもすべての寝たきりの患者に適 用できるわけではない．このように廃用性筋萎縮は，寝 たきり患者，宇宙飛行士にとって重大な問題であるにも かかわらず，有効な予防法，治療法は未だ確立されてい ない．
筆者らはこれまでの研究で，Unloading環境下におい て発現が増加するユビキチンリガーゼ Casitas B-lineage lymphoma-b （Cbl-b） が，筋タンパク質の維持に必要な insulin-like growth factor-1 （IGF-1） シグナル経路のシ グナル分子である insulin receptor substrate-1 （IRS-1）
をユビキチン化し，その分解を促進することが筋萎縮の 原因の一つであることを明らかにした．本稿では，今ま でに明らかになっている廃用性筋萎縮のメカニズムとと もに，食品成分による骨格筋萎縮への治療の可能性につ いて述べる．
寝たきり患者の筋萎縮に対する 栄養学的アプローチ
山下結衣，越智ありさ，河野尚平，二川 健
Nutritional Approach Against Bed Rest Induced Muscle Atro- phy
Yui YAMASHITA, Arisa OCHI, Shohei KOHNO, Takeshi NI- KAWA, 徳島大学大学院ヘルスバイオサイエンス研究部
タンパク質分解経路
骨格筋は重力や運動などの機械的ストレスに感受性が 強い器官の一つである．運動などの過負荷により筋肥大 が起こる一方で（1），宇宙飛行や寝たきりなどの減負荷に よって筋萎縮がひき起こされる（2）．廃用性筋萎縮は，長 期的にみれば筋タンパク質の分解の亢進によるものと考 えられている（3）．筋タンパク質を分解する経路には，カ テプシン群のリソソーム経路，カルパインによるカルシ ウム依存性経路，ユビキチン化タンパク質を分解するユ ビキチン-プロテアソーム経路がある．これまでの研究 で，ユビキチン-プロテアソーム経路による筋タンパク 質の分解がUnloadingによる骨格筋萎縮で重要な働きを していることが示唆されている（4）．
ユビキチン-プロテアソーム経路とは，ユビキチン活 性化酵素 （E1）, ユビキチン結合酵素 （E2）, ユビキチン リガーゼ （E3） から構成された酵素群によって分解すべ きタンパク質をユビキチンで標識し（これをユビキチン 化という），そのユビキチン化された基質タンパク質を，
26Sプロテアソームによって認識・分解を行なう経路の ことである（図1）．筋タンパク質の分解を亢進させ，
筋萎縮をひき起こす原因となるものについて以下に述べ る．
廃用性筋萎縮の原因 1. 筋萎縮とIGF-1シグナル
IGF-1は，骨格筋の成長に重要な役割をもつ因子であ り，肝臓，筋細胞，骨芽細胞で合成され，筋線維の肥大
を促す．通常，重力，運動などの機械的負荷がかかって いる状態では，IGF-1が受容体に結合することでシグナ ル伝達が起こり，筋タンパク質の合成が促され，分解が 抑制される．しかし，寝たきりなどのUnloading状態で は，IGF-1抵抗性が惹起され，Akt-1/protein kinase B
（PKB） のリン酸化が傷害され，筋タンパク質の合成が 阻害される．また，Akt-1/PKBの下流にある forkhead transcription factor （FOXO） がリン酸化されずに核内 に移行し，muscle RING-finger protein-1 （MuRF-1） や muscle atrophy F-box protein （MAFbx）/Atrogin-1な どの筋萎縮関連遺伝子 （atrogenes） の発現を誘導し，
筋タンパク質分解が亢進する（図2）．1998年に打ち上 げられたスペースシャトル （STS-90） による実験で，無 重力環境に曝されたラットの萎縮した骨格筋について，
DNAマイクロアレイ法によって網羅的に検討を行なっ たところ，基質特異性を決定するユビキチンリガーゼの 一つであるCbl-bが，地上群と比較して10倍以上も増大 することが見いだされた（5）．筆者らは，Unloading状態 では骨格筋内におけるCbl-bがIGF-1の細胞内シグナル 伝達分子であり，このCbl-bがIRS-1と特異的に結合し，
そのユビキチン化を促進するため，IGF-1シグナルが減 弱することを明らかにした（6, 7）．
2. 酸化ストレス
酸化ストレスは，骨格筋において筋萎縮関連遺伝子の 発現を刺激する重要な因子である．以前の研究より，
Unloadingストレスやギプス固定による骨格筋の萎縮に は活性酸素種 （ROS） の産生が関与していることがわ かっており（8），萎縮した筋内で，過酸化脂質の分解産物
図1■ユビキチン・プロテアソーム 経路
であるチオバルビツール酸反応性物質 （TBARS） や酸 化型グルタチオン （GSSG） の上昇と還元型グルタチオ ン（GSH） の減少が報告されている（9）．筆者らの実験で も，微小重力モデルである3D-clinorotation*1により，
酸化ストレスが筋細胞内に蓄積するという結果が得られ ている．Unloading条件下での筋萎縮では，ミトコンド リアの機能異常が生じていることが知られており（10）， ミトコンドリアから流出した活性酸素によって筋萎縮が ひき起こされていると考えられる．
3. Myostatin
MyostatinはTGF-
β
スーパーファミリーに属し，骨格 筋形成抑制因子として，骨格筋や心筋，脂肪組織におい て特異的に発現していることが知られている．Myo- statinは細胞内で不活性型前駆体として合成された後，プロテアーゼによる切断を受け，活性型に変換される
（図3）．こ のMyostatinの 切 断 部 位 の ア ミ ノ 酸 配 列
（Arg-Ser-Arg-Arg : RSRR） を特異的に認識する酵素と して膜結合型セリンプロテアーゼである the typeII transmembrane serine proteases large-form （MSPL）
や，proprotein convertase （PC） ファミリーメンバーで
あるFurinがあり，これらによって切断された後，メタ ロプロテアーゼであるbone morphogenetic protein 1
（BMP-1）/tolloidによってさらに切断され，活性体とな る（11, 12）．このようにして活性型となったMyostatinは，
activin receptor type IIB （ActR-IIB） と結合する．Act- R-IIBは，タイプI受容体であるactivin receptor-like ki- nase 5 （ALK-5） やALK-4とともにヘテロ二量体を形成 しており，Myostatinが結合することでmothers against decapentaplegic homolog 2 （SMAD2）, SMAD3 のリン 酸化，活性化がひき起こされる．SMAD2, SMAD3はこ れらの補因子であるSMAD4と結合することで核内に移 行し，MyoDやMyogeninなどの遺伝子発現を負に調節 する．また，まだメカニズムはわかっていないが，
MyostatinはAkt-1/PKBを抑制することも報告されてい る（13）．このように，Myostatinは筋萎縮を誘導すること が示唆されている．
以上のような機構を通して誘導される筋萎縮に対する 栄養学的アプローチとして，①酸化ストレス，②Myo- statin,③Cbl-bに対する阻害効果をもつ食品成分につい て紹介していきたい．
抗酸化成分（図4）
植物は，光合成を行なうために日光を吸収すると同時 図2■筋肥大と筋萎縮のメカニズム
*1 軸方向と 軸方向に一定の回転を与え続けることにより重力 を分散させ，模擬微小重力を再現する装置を用いて培養する方法
図3■Myostatin活性化による筋萎 縮メカニズム
に，紫外線の攻撃にも曝されている．紫外線にはROS 産生を増加させる作用があるため，植物は体内に多くの 抗酸化物質をもつ．システインは抗酸化作用をもつアミ ノ酸であり，HIV感染者や坦癌患者の筋萎縮に有効であ ることが報告されている（14）．このシステインを廃用性 筋萎縮モデルである尾部懸垂*2ラットに胃内投与したと ころ，筋タンパク質のユビキチン化と分解を有意に抑制 し，骨格筋の萎縮を抑えることができることが示唆され た（15）．
一方，フラボノイドも抗酸化作用をもつ．フラボノイ ドは，植物が合成する二次代謝物であり，生理機能とし ては抗酸化作用の他，消化酵素阻害作用，またカテキン
類には癌予防効果が知られている．このフラボノイドの 抗酸化作用は，ROS消去やROS産生酵素の阻害だけで なく，抗酸化酵素誘導にも働く．フラボノイドのうち，
茶カテキン類，ケルセチンについては筋萎縮に抵抗性を 示すデータが得られている．茶カテキンの主要成分に は，エピカテキン （EC）, ガレート型のエピカテキンガ レート （ECg）, エピガロカテキンガレート （EGCg） が 知られている．3D-clinorotationを用いた実験では，筋 管細胞に筋萎縮をひき起こすデキサメタゾンと同時に EC, ECg, EGCg を処理すると，Atrogin-1, MuRF-1の発 現が抑制された（16）．しかし，摂取後の腸管からの吸収 は非常に少なく，その多くは糞便中に排泄される．ま た，カテキン類を経口摂取して血液中の濃度を測定する と，摂取後2 〜4時間で血中濃度は最大となり，その後 徐々に減少し，24時間後にはほぼ消失してしまうため，
経口投与を行なう場合は投与時間，回数などに留意する 必要があると考えられる．また同実験では，ケルセチン についても同様の効果が得られている．ケルセチンは，
タマネギ，ソバなどに多く含まれており，フラボノイド の中でも特に強い抗酸化作用を示す．尾部懸垂マウスの 腓腹筋へケルセチンを投与すると， での実験と 同様に Atrogin-1, MuRF-1 の発現を抑制し，筋湿重量 の減少が抑制された（17）．これらの知見より，フラボノ イドの摂取が，筋萎縮関連遺伝子の発現抑制を介して廃 用性筋萎縮を予防できることが期待される．
Myostatin阻害剤
前述のように，Myostatinは骨格筋量の負の調節因子 である．さらに，セリンプロテアーゼ阻害剤が筋萎縮抑 制作用を示すという報告もあり，Myostatin活性化の抑 制がUnloadingによる骨格筋の萎縮の予防につながるの
図4■Unloading下の骨格筋における酸化ストレスと抗酸化成
分
*2廃用モデルの1つ．尾部を懸垂し後肢に体重がかからない状態 にすることによって筋萎縮をひき起こす．
ではないかと考えた．そこで，大豆タンパク質中にはセ リンプロテアーゼ阻害剤が豊富に含まれているため，大 豆中のMyostatin活性化阻害剤を精製した．LC-MS/MS によるタンパク質同定では，これらの阻害剤はBow- man-Birk inhibitor （BBI），グリシニンタンパク質のフ ラグメントであると考えられた （現在，投稿準備中）．
BBIは，多数のセリンプロテアーゼ活性を阻害し，キ モトリプシン，カテプシンGの他，MSPLに対し強い阻 害活性を有することはすでに報告されている（18）．また，
抗癌作用を有することもよく知られているが，筋成長や 分化に関する作用はあまり研究されていなかった．しか し，最近の研究では，尾部懸垂マウスにBBIを混ぜたエ サを与えると，筋湿重量の減少を抑制したことから（19）， BBIは廃用性筋萎縮を抑える働きをもつことが示唆され た．さらに，BBIを含んだエサをマウスに与え続けるこ とで，寿命の短縮や，成長過程での異常はみられなかっ
た（20, 21）．以上のことから，BBIは食品由来の構成成分
であり，安全かつ簡便に投与できるため，廃用性筋萎縮 の有効な治療法開発に応用できると考えられる．
Cblinの開発
筆者らは，Cbl-bのユビキチンリガーゼ活性を阻害す ることで，廃用性筋萎縮を予防，治療できるのではない かと考えた．Cbl-bはその標的である基質の立体構造を 認識して結合し，基質をユビキチン化することがわかっ ている．そこで，Cbl-bがIRS-1を認識するポケットに，
あるペプチドを結合させることでCbl-bとIRS-1の結合 を阻害し，IRS-1のユビキチン化を防ごうと考え，合成
ペプチドを作製し，Cbl-bによるIRS-1のユビキチン化 阻害を試みた．試験管内でユビキチン化反応を再現でき る無細胞系ユビキチネーション法 （cell-free ubiquitina- tion assay） を用い，Cbl-bのユビキチンリガーゼ活性を 阻害できるペプチドを探索した．その結果，DGpYMP
（特願2006-145944）の配列をもつペンタペプチドが最も 強いIRS-1のユビキチン化の阻害作用を示した．さら に，このペンタペプチドは，培養細胞系を用いた検討に おいても，動物実験においても同様の結果を示した．筆 者らは，Cbl-bのユビキチンリガーゼ活性を阻害するこ とから，このペプチドを Cbl-b inhibitor （Cblin） と名付 けた．これらの結果をもとに，次に，Cblin様作用を有 する食品成分の探索，開発を行なった．
タンパク質が分解され，その一部分のペプチドが特異 なアミノ酸配列を有し，特別な生理機能を発揮する場合 がある．一般に，そのようなペプチドはタンパク質の形 で存在する食品中では不活性であり，食品加工や生体内 での消化を経てペプチドの形となってはじめて機能を発 揮するようになる．近年，血圧降下や中性脂肪の低下な どの作用を有する機能性ペプチドが発見されており，新 たな機能性食品として注目が集まっている（22, 23）．筆者 らはCblinと類似した配列をもつ食品成分を探索し，大 豆に含まれる11Sグリシニンタンパク質に類似した配列 を見いだした．そこで，大豆グリシニン中のCblinに類 似したアミノ酸配列を化学合成したペプチド（Cblin様 合成ペプチド）のIRS-1のユビキチン化に対する効果 を，細胞培養系を用いて検討したところ，Cbl-bのユビ キチンリガーゼ活性阻害効果を示した．また，大豆グリ シニンタンパク質をペプチド化したものを細胞培養系に
図5■オリゴペプチドによるユビキ チン化阻害のメカニズム
供したところ，同様にCbl-bユビキチンリガーゼ活性阻 害効果を示した．
さらに， での大豆グリシニンの筋萎縮に対す る効果を確認するため，筋萎縮モデルである坐骨神経切 除マウスに大豆グリシニンを経口摂取させた．坐骨神経 切除によって筋湿重量，筋断面積はともに減少するが，
大豆グリシニンを摂取させることによってそれらの減少 は抑制されることがわかった．加えて，大豆グリシニン を摂取したマウスでは，IRS-1の分解とユビキチン化，
筋萎縮関連遺伝子の発現も有意に抑制され，大豆タンパ ク質による骨格筋萎縮の予防効果が期待できる結果を得 られた（論文投稿中）．大豆ペプチドは，運動後の筋傷 害の軽減に有益であるとの報告や，長期摂取により骨格 筋量を増加させたとの報告もあり（24），筋萎縮の予防に 有効な食材になり得ることが示唆された．
一方，筆者らは，島根大学・赤間一仁先生との共同 で，現在Cblin様配列をタンデムにもつ遺伝子配列をイ ネの主要タンパク質であるグリテリンに組み込んだ遺伝 子組換え作物を作製し，その筋萎縮予防効果を検討中で ある．このように，Cblinのような機能性ペプチドの発 見は，第2世代の遺伝子組換え作物の作製にも発展しつ つある．食糧増産を目的とし，病原体への抵抗性を高め るための遺伝子を組み込んだ第1世代に対し，第2世代 では成分改変を目的とし，栄養成分や健康機能性成分を もつ機能性ペプチドや機能性ペプチドを含んだタンパク 質を組み込む．こうして作製したイネは，培養細胞系に おいてユビキチン化の阻害効果が示された．今後，摂食 試験を開始し，筋萎縮予防効果を検討していく予定であ る．
＊
今回紹介した廃用性筋萎縮を予防し得る食品成分に は，実用化に向けてさらなる研究が必要である．しか し，これらの経口投与により筋萎縮の予防・治療効果が 確認されれば，薬剤のような副作用の懸念が少なく，ま た日常の食事において長期的な摂取が可能となる．寝た きり患者の数が急増している今，筋萎縮に有効な食事が
開発できることを期待している．
謝辞：本研究は，JAXA（宇宙航空研究開発機構）MyoLab宇宙実験の ためのJAXAからの支援，農林水産省生研センターイノベーション創出 基礎的研究推進事業からの支援により行なわれました．この場を借りて お礼申し上げます．
文献
1） D. F. Goldspink : , 264, 267 （1977）.
2） Y. Ohira : , 50, 41 （2000）.
3） D. B. Thomason, R. B. Biggs & F. W. Booth : , 257, R300 （1989）.
4） M. Ikemoto : , 15, 1279 （2001）.
5） T. Nikawa : , 18, 522 （2004）.
6） N. Suzue : , 21, 722 （2006）.
7） R. Nakao : , 29, 4798 （2009）.
8） M. Bar-Shai, E. Carmeli, P. Ljubuncic & A. Z. Reznick : , 44, 202 （2008）.
9） H. Kondo, M. Miura, J. Kodama, S. M. Ahmed & Y.
Itokawa : , 421, 295 （1992）.
10） S. K. Powers, A. N. Kavazis & K. C. DeRuisseau : , 288, R337 （2005）.
11） R. S. Thies, T. Chen, M. V. Davies, K. N. Tomkinson, A. A. Pearson, Q. A. Shakey & N. M. Wolfman :
, 18, 251 （2001）.
12） N. M. Wolfman : , 100,
15842 （2003）.
13） M. R. Morissette, S. A. Cook, C. Buranasombati & M. A.
Rosenberg : , 297, C1124
（2009）．
14） W. Droge & E. Holm : , 11, 1077 （1997）.
15） M. Ikemoto, T. Nikawa, M. Kano, K. Hirasaka, T. Kitano, C. Watanabe, R. Tanaka, T. Yamamoto, M. Kamada & K.
Kishi : , 383, 715 （2002）.
16） D. I. Hemdan : , 56（1‒2）, 26 （2009）.
17） R. Mukai, R. Nakao, H. Yamamoto, T. Nikawa, E. Takeda
& J. Terao : , 73, 1708 （2010）.
18） Y. Okumura : , 84, 5089 （2010）.
19） C. A. Morris, L. D. Morris, A. R. Kennedy & H. L.
Sweeney : , 99, 1719 （2005）.
20） A. R. Kennedy, B. F. Szuhaj, P. M. Newberne & P. C. Bill- ings : , 19, 281 （1993）.
21） A. R. Kennedy, P. C. Billings, P. A. Maki & P. Newberne : , 19, 191 （1993）.
22） K. Kagawa, H. Matsutaka, C. Fukuhama, Y. Watanabe &
H. Fujino : , 58, 1745 （1996）.
23） T. Kawasaki, E. Seki, K. Osajima, M. Yoshida, K. Asada, T. Matsui & Y. Osajima : , 14, 519
（2000）.
24） K. Masuda, M. Maebuchi, M. Samoto, Y. Ushijima, Y.
Uchida, M. Kohno, R. Ito & M. Hirotsuka : 日本臨床ス ポーツ医学会誌，15, 228 （2007）.
