東 京 大学 教養 学 部体 育学紀 要(199S)29, 1〜 19

細胞 分 子 生 物 学 ・ 地球 生 物 学 か ら
身体 運 動 科 学 を再 考す る
― ミク ロ とマ ク ロをつ なげ る身体運動科 学 一
跡 見順 子
東京大学生命環境科学系

Molccular Biology of Physical Excrcisc―
Ncw Aspccts for Physical Excrcisc Considcring into

Biological Mcans of Mcchanical Stimlus from Ccn to Body―

Yoriko Atomi
Dept. of Life Sciences,
The Univarsity of Toryo

Abstract

It is to be essential not o[ty for higher organisms but also for loltrer multicellular ones
to recognize outer world and eoviroDment. Human a.s well as most aoimals kceP posture,balance aod stand against gravity oo lhe earth. A musculo-skelelal system developed io-l}le musculo-skeletal s),stem cao produce mechanicalanimals is useful for this purtrxe.
enerS/ by attaching to the bone via tendon (specified ECM), that is, to make the fulcrum.

Most cells, in culture and vital organisnrs except blqxl cells have characteristics to attach
the bottonr of the dishes or the ECM (exlracellular matrix). lt scems that they can moveor work agaiost tbis fulcrum. C-ells have cyloskeletal net\ryork to keep their cel shape. 'Ilis
relatiooship is like one betweeo skeletal muscles and their attaching hJnes in human body.
This cellular cfoskeleton is dynamically regulated to form and to be broken do\rncorresponding to extracellular stimuli. This dyoamic reSuladon needs eners/. Recent
researches have shown essential roles of lhe c,vtoskeletoo of the cells lo transport cheDical
signals, mllNA and various fadors between nucleus and various o.ganelles such as
mitochondria, lysosome, endoplasmic reticulum in the cells. I]veo in nucleus, nuclear matrix
plays a role for DNA organizatioo aod for gcne expression. Nuclear matrix is comF)sDd of
the similar various isoforms of cytoskclctal proteins and other nuclear specific proteins.
Maiirtenance of cytoskeletal net*ork Deeds energl. Iioergr shorlage such sa ATP depletion
ioduces breakdowo of cytoskeleton and reslrlts in forDing blebs and dyiDg in apoptosis.
Arimal including humao seems ro utilize rather stretch responses and develop strelch
respoosive system to respond to mechanical works io cell to human h)dy, thaD gravity

responsive systerD. The function of skeletal muscle is to develop. leNion The physicalinteraction of contractile moror proteins typicalty comtr)sed of myosin and actin, sliding,
produces motility, but the sliding motility results in tension by connecting to filamentus
network o[ Z-bands. This contractile unit from Z - to LbarJil is called as sarcomea. On
the otherhand Z-bands are connected to ECM (basal lamina) by cell membrane and further

to skeletal s,stem.
Muscle tissue caD increase and/or decrease its weight to adapt mechanical stimuli We
named this ability as " muscle plasticity " like in the case of 'braio plasticity'. ' Plaslicity'is the quality of being plastic (easily forDed into various shapes be pressing and kept theshape). Such remodeling such as muscle hypertrophy needs long hours, since these process
ass&iates with the incaease of materials inevitable for protein syothesis and/or degradation
aod gene expression. We should know the mechanism of protein synthesis and/or
degradation arld gene expression in order to know the mechanism of muscle plasticity andtraining effects. The cell is able to responsd for their stimuli using units of machines of thecell, cellular organelles such as nucleus, ribosome, mitochondria and endoplasmic
reticuium.We must thi[k about the mechaoism of muscle plasticity and training effe{et fromthe standpoint of the living cell. We believe we caD .get more traiDing effect if we adopt
higher intensity of exercise and/o. of muscle contractioD. Why ?
Lr another case, muscle reogranizes sarcomere lelgth when fiber length is changed(eittrer shortened or lengthened). Keeping muscle length to a given length is essential forskeletal muscle to functionate. If a muscle is continuously kept to be stretched, the muscle
seems to iDcreas€ sarcomere number, and if shortened, the muscle s€ems ro decrease thenumber and readjust that. Why the length of muscle fiber or stretcb stimulus is esseotial
for muscle growth or hypertrophy and differentiation? The changes of fiber tyf,e, protein
synthesis, transcriptional chaoges, translational alteration and satellite cell and/or ouclear

Dumbrs are intensivety studied in receDt years.

The mechanical stimulus of muscle coDtractioD ry myosin/actin motor q6tem can be

conducted through c)stoskeletal system to tbe nucleus. These close relation between
stlucture and function observcd in skeletal muscle system and DNA"/protein interaction in
the c€ll controlling life show the imporrance of physical exercise in our lifc.

細 胞 分 子 生 物学

地 球 生物 学 か ら身体 運 動科学 を再 考す る

(1)身 体運動を再考す る。
1.人 間 とタンパ ク質
本学教養課程 の 「身体運動科学」 (旧 保健体育〉 の最初 の講義で タンパ ク質"と い うとまず何を思 い浮かべかると質問す ると、三大栄姜素 の一つ お よび筋肉 とい う答えが返 って きた。
生物学 と縁がな く大学まできてしまつた人 の平均的な知識である。化学や物理を教科 として とって きた理科系の学生 でもこの ような知識 しかないこ とに、 「身体運動科学」 の生理学生化学的基礎 と題 して講義 している身 としてはr.然 としたが、この方 が一般的な認識 らしい と知 つて覚悟 をしたのである。そ ういえば、もうだいぶ
前 になるが、私 自身 cDNAの cを cAMPの cと 同 じ
か と思 つて サ イ ク リックDNA"と 勘違 い したこともあ つたのだか ら、初心にかえつて生物の一員 としての人間 の理解に欠かせな くな ってい るこの十数年間の生命科学的見地 一細胞 とい
う場 にお け る タンパ ク質 とDNA・ 遺伝 子 を中心にして生命を考え る一か ら身体運動を考えてみたい。最新の遺伝学的解析 によれば人間 とチンパ ンジー を分ける根拠はもうほ とんどないそうである。文化を築 き上げ科学的探求 により自らを進化 の頂点に位置づ けた人間は、科学 と文化により自らが生物 としての ヒ ト、動物 としての ヒ トとしての存在である こ とをより深 く知る
ようにな って きた。人間は 自ら ̀考 え、道具 を使 う'動 物 として特別 の地位を与 えていたが、生命科学 が長足 の発展 を とげた現在は、人 はDNAで できた遺伝子でプ ログラム されていだ もDNAで で きた遺伝 子で プ ログ ラム され ているが、実体 (実 物 )は タンパ ク質 でで きているのであ る。骨は カルシ ウムでで きていると思っている人がほ とん どであるが、骨は コラーゲ
ンとい うタンパ ク質を中心 としてできた線維に
カルシ ウムが沈着 してい る、あるいは結合 (バイン ド)し てい るのであ り、カルシ ウムの粉を固めても骨はできないのである。
素材 によりもののかた ちや性質 (機 能)が き
まるこ とが多 いが、人間 のか らだをつ くっている素材 であるタンパ ク質は原料 であるア ミノ酸の組み合わせかたにより、 い ろい ろ異なる性質(機 能)を もった素材にな る。骨 も髪の毛も筋
肉もタンパ ク質 とい う素材を主要構成成分 としてできてい る。このように変幻 自在にかたちを変 えることが出来るとい う性質が生命を形づ くってきたともいえる。数十年前人文科学 の中に包含され ていた体育学は、教育学部 の中の一講座 として位置付 けられ、数十年来身体運動 の科
学 として運動生理学的研究を中,き にして発展 してきた ともい える。生理学は機能 に焦点をあて
解析す る。生物 の場合、その機能 は素材 であ る
タンパ ク質 がす でに もっている。最終的に人 の身体運動は、機能をもったタンパ ク質 に規定 されてい るともいえる。が、人体 の構造 には階層性があるため、仕組みが見えにくい。素材までさかのぼって機能 の研究をす る ことに より、身体運動 、運動 と生命 とのかかわ りをより深 く洞
察できるようになると考えられる。運動の様 々な場面でみ られ る美しいあるいは面白い現象の奥に生命のあきれるほどに見事 で賢い仕組みがる"と い うフレーズのほ うが よリー般的な知識
か くされてい る。面白いのは人の運動で測 ったとな っている。 この とき何故 か講義を受講 して
い る (特 に高校で生物を履習 していない)学 生
速度/張 力関係 が、運動を担 ってい るタンパ ク
'と
̀人
パ
い
は わず、 質 (分 子)で ある ミオシン とアクチンの相互作
はは タン ク質でできている用による速度/張 力関係 (と りだ して精製 した
タンパ ク質は栄養素の一つ とい う認識 の ままに。
ワの分子 として試験管や シャー レの中ではかっても)な っているのであ る。脳 思考経路 ネ ット
ークは 自然に出来るものではないこ とがわかる。 とほとん ど同 じであることである。運動 とのかかわ りでみ られる現象か ら生 きてい るダイナ ミ
我 々人間 もふ くめて、人体 の70%を 構成するパ
ックな生命の原理 にせまることができる。
水を除外すると生物 のか らだの実体は タン ク
々
い
いつて
い
ではな
。我
は
で
と
も言
過ぎ
ある
質
コンピューター は記憶素子を用 いたプ ログラム
2 地球 という場 と進化 という時間に規定された ̀も の'が 造 る秩序・ 身体 と運動によつて動 くことを知 つているが、実物 はプ ラ
ワ トソンらが明らかにした生命 の原理 ―セン
スチ ックなどの素材 でできてい る。人間 のか ら

4

跡見

トラル ドグマ ーDNAの 二 重螺旋 により生命 の情報が記述 され、保存 され、 タンパ ク質 として我々の存在・ 実存を可能にしてい る―により、
我 々ひ とを含む生物 が現在生 きてい るとい うことは、地球上 でのものの相互作用により生 じた
生物 の進化の歴史の結果であるとい うことが明らかにな りつつ あ る。時 々場あた り的な偶然 ともいえる諸現象 の仕組み と推理通 りに展開す る
必然的な現象 の仕組み との織 り成す発生・形態形成 の妙、地球上に生 きる生物達の知恵 の秘密を探る謎解 きグームの面白さはどんなに面白い
推理小説 もかなわない と思 うのは筆者だけではないであろ う。 この ような筆者 には納得せ ざるを得ない概念・ 思考を提起する生命科学 の研究
結果は、生命科学に関するあ りとあ らゆる分野
において既製 の考 え方、方法 の見直 しを迫 つてい る。身体運動科学 も例外ではあ りえない。一方 でそれ と遜色のない くらい、宇宙への人類の旅立ちは現在われわれが考えてい る以上に大きな意識の変換をもたらしている もの と考えられる。生物を育 てあげた このか けがえのない地球
環境 の もつ環境因子の影響は計 り知れないほ ど
大きいに違 い ない。地球を離れ て、宇宙か ら地球を対象化す ることにより、地球の存在、その中で育まれてきた生命の存在を より明解 に解析することがで きるようになった。 とくに運 動、身体運動は地球的環境 との相互作用 で成 立す る
ものである。 自分 の身体や身体 の動きの中に港
むか らくりを進化の時間軸 と地球 とい う場を意識 して捉える、 見えないゆ りか ごの働きよう"を生物 を介 して少 しづつ 見えるようにするのに、身体運動は格好 の研究対象である。 DNAか ら宇
宙まで"を つ なげる論理 こそその人の身体 の動
きを中,き に解析す る学問研究領域 ―身体運動科
学 の基盤 となる。
身体運動科学 の上台を従来 の人体生理学 。人
体解剖学 だけではな く、広 く生物学 の土台で考える時がきている。数千 の異な った細胞 の集 りとして、個 々の細胞 の特徴 と細胞を結合 してい
る構造、それを作 り出すf40胞 の特徴、細胞はそれ らのまわ りの環境 との相互作用 で 自分 の行動を決定する。組織の一員 としてあ るいは組織 とは独 自に行動するかを決めるの も細胞 自身である。従来 の体育・健康科学・ スポーツ科学・ 運動生理学では個体 としてのひ との身体運動を解析 して きたが、何故それ らの現象が生 じるのかは明らかにされてこなかった。 さまざまな現象の背景 となってい るメカニズムをあきらかにす
るには、上記 の生物 としての特性、細胞 か ら構成 された生物の しくみか ら身体運動の仕組みを再構築す る必要がある。近年の生命科学 の 目覚
ましい研究の方法 と概念 の進歩か ら身体運動科学を再考 してみることにす る。
本稿では ミク ロか らマ ク ロまで生命及び運 動を統一的に とらえることを目的 として、できる
だけわか りやす く物である人 間そ してそれによってなされる運 動を生命科学的に解説 してみ よ
うと思 う。

(1)地 球 上での運 動
1.地 球 の歴史 と生物の歴史
地球科学の報告では、地球は水 の惑星、流体
惑星……、さまざまな特性がある不思議な天体である。宇宙か らの観察により発見 した地球上に存在す る数多 くの 円形 の湖は隕石が地球にぶつかって出来た跡に水がたまった ものである ことから推察 し、地球は岩石の塊がぶつか りあって誕生 し、太陽系の 中の位置などま った くの偶
然 の運が重な って生命 を育む よ うになった という。原始地球 における化学実験 の試験管内的状
況は生命を考 えるとき常に忘れてはならない条件 である。高温、高圧下でのDNA、 ア ミノ酸 、糖質、脂質、水、無機元素、 一これは主な生体構成物質で もあるが 一は、原始地球にす でに存在してい ると考 え られている。遺伝、つ ま り自己の複製を保証す るDNA/RNAの 相補性、効率的な化学反応 のIP/を つ くる細胞、生命 の最小 単位 としての細胞が出現す るの も時間の問題であ ったのであろ う。第二の大事件がシア ノバ クテ リアの仲間 による酸素産生 とその結果 としての酸素の蓄積 とい う環境条件 の変化 であ り、現在 の高等生物 の仕組 の基礎が酸素 の有効利用 によるエネル ギー効率 の飛躍に負 っていたもの と考え られる。 ミトコン ドリアとの共生が成 立 しなかったなら現在の生物体系はなか った もの と考 えられる。エ ア ロビクス運動の健康への功罪は この

細胞 分 子生物学

地球 生物学 か ら身体 運 動 科学 を再考 す る

細胞 の起源による。そ して第 二の要因 として ミ
オシン・ アクチン・ ダイニン・チ ュープ リンなどの動きを可能にさせ るタンパ ク質 の出現があ
つた と考えられ る。

2.生 命/生 物 (細 胞 )の 特性
1)細 胞 の意味

遂行 され る。細胞外基質は直接接 してい る細胞の環境である。細胞 の内 と外を区別 し、単細胞生物から多細胞生物へ の生物の進化の道筋 と同
じよ うに、面倒 で も細胞にもどり、細胞か ら組
織へ 、組織か ら個体へ と再構築 し解析する方法
が生物 の理にかなってい る。 しか し同時にIII胞
一個 を研究 していっても解明出来ない問題 もある。
細胞はエネルギー を喰 い外界 のエ ン トロピー
エロ
を増大 させながら、内部に ン ト ピー増大の
2)生 命 の素材 と細胞の構成
法則に反 して秩序を維持 してい る複 製能を持つい生命を構成 してい る素材について考えてみる
生命 の最小 単位 であるとい える。細胞は膜 とう境界 で区切 られた独立の生命活動の場 であ る。 と、進化の過程の中で偶然 と必然 の積み重ねにより、現在生存 してい る生物 の生体を構成 して化学反応が一定の速度 で進むためには、化学物
い る物質が残 されてきた こ とがわかる。真核細質の濃度が一定の濃度以上に維持 される こ とが必要であるが、そのためには拡散 して行 かない
胞は核、F41胞 膜、小胞体、 ミトコン ドリア、 ゴ
ルジ体、ライ ソソームなどの種 々の細胞内小器
ように一定の区画を設 けることが必要である。
い
での
が
と
極
う
官を持 つてお り、これ らは上述 したDNA、 RNAの細胞内化学反応は比熱 大きく水性を持 つた きわめて特殊な媒体 の 中で進行する。 核酸、脂質、 ア ミノ酸 の重合によつてで きるタ
ンパ ク質 などの立体構造をもった巨大分子によ水 と対極にある疎水性 の脂質 が境界 となる膜をつり構成 されてい る。 これ らは ミトコン ドリアと形成 した。膜を くるの も脂質の化学的性質で同様に皆 もとは別 々の生物であ ったのであろ う
あ る。相補性 に基 づ く遺伝 の原 理を補 償す る
RNA、 DNAの 科学的性質 とみ ず か ら触媒機能を持か。エネルギー源 の糖・ 脂質は都合 の良いこ とに細胞内外 のシ グナル伝達物質でもある。個 々ち、複製機能をも兼ね備えたRNA・ タンパ ク質 ののの細胞は単細胞生物 と同様 に自己の内部 でのエ
性質 両方 に依存 して生起す る化学反応を一定の範囲内 に囲いこみ ,外 と内を区別するシステ
ネルギー水準を感知す るシ ステムをもっている
ムがflB胞 である。
一個 の細胞 =個 体 とい う単細胞 では生命現象
は多細胞生物 と比較 して単純であると思える。
機能を分化 させた多 くの異な った種類 の細胞によって構成 され ている多細胞生物ではfII胞 の生
死 と個体 の生死あるいは細胞 の機能 と個体 の機能が必ず しも一致 しないので、様 々な生命現象を細胞 で考 えるといって も単純 ではない。最近
はプ ログラム細胞死 とい う現象 も知 られてお り、
ますます細胞 と組織、組織 と個体 の とい う生命
現象の階層性 を念頭 におき、それ らの相互関係を意識 しながら、生命 の成 り立ちを洞察す る必要性 にせまられてい るといえる。多細胞生物 の存在はfII胞 間を結合す る細胞外基質 (マ トリク
ス :以 下ECM)を 構成す るタンパ ク質 の進化 と同期 してい ると考 えられ る。 これまで特に人 の場
合、通常個体あるいは組織単位で機能が考えられてきた。 しか し生命活動の基本は細胞単位 でと考 えられるが、機能を分化 させた多細胞生物
では個体内のエネルギー水準を関知 し行動する
必要があ り、その機能を保持 してい るのが脳 の摂食 に関与 している神経細胞お よび消化器官を構成す る細胞 であ る。細胞内のシグナル伝達 シ
ステム と組織間のシグナル伝達 に関与 し、一個の個体 としての 自立性を保証 しているシグナル
伝達 システムの相互関係を連結 させ る物質 があるのであろ うか。
3)原 核細胞 と真核細胞
単細胞 /多 細胞生物 の区別lと 異な り、核膜や細胞骨格 の有無、DNAの 構造、DNAか らのタンパ
ク質合成 システ ムの複雑 さなど細胞 の大きさに見合 う内部の構造 のシ ステ ム化の され かたの違いにより原核/真 核細胞に分類 され る。遺伝情報 を担 うDNA量 の圧 倒的 な差異 は 単 に 進化 の
順番 でこの差異が うまれた とい うよりも、初期の地球的環境 のなかで細胞が取 り込んだ物質 の跡 見

違 いがこの差異を うみだ したのではないであろうか。最近 のFIB胞 骨格系に関す る研究結果か ら
原核細胞 と真核細胞 の違 い には ミオシン・ アク
チ ン・ATPあ るいは アクチ ンに代わ るチ ュープ リ
ンによ り構成 される微小管を利用 した運動系により成 立す る運動のシステムの原始的 モデルの存在の有無 が関与 してい る可能性が考 えられる。
環境に対 して受動的 に反応するか能動的 に対す
るかは、能動的行動を実現 させるシ ステ ムの有無 により決定 されるであろ う。 この運動 システ
ムの維持 には莫大なエネルギーが必要である。
おそらく酸素を利用 した効率的なエネル ギー産
生系の獲得 (ミ トコン ドリアの細胞内への導入と共生)と 同期 して生まれたものではないであろ うか。
3.細 胞の接触、力の支点
運動を張力や他の機 械的 エネル ギー に変換す
るには、力を発揮す る支点が分子 レベルで も必要であろ う。真核単細胞生物や生体を形作る組織を構成す る多 くの細胞は細胞 どうしあるいはECMに 接着 してお り、接着 のための受容体 とそれ と連絡する細胞骨格構造を持 つてお り、構造的な支点、認識の支点を形成 している。細胞外 の化学的物理的環境が細胞へ の刺激 となってい る。組織や個体 の表層に位置する上皮細胞は特別 の機能を担 うので組織 の 中での細胞 の 占め
る位置情報が細胞 の機能、構成する タンパ ク質の遺伝 子発現に影響を与 えてい ることは確かである。重力か ら派生す る因子が何 らかの関連をもっているであろ うことが推察 される。

3.細 胞 の運動 と個体 (ひ と)の 運動
単細胞動物 ゾウリムシが化学的刺激 に反応 して運動す ることは明 らかにされてい るが、他 の因子た とえば重力を感知 して運 動 してい るか ど
うか は現在無重力状態を検討する宇宙実験 の一
課題 である。細胞培養系における増殖期にある
fII胞 の運動が フ ラクタル 関数 で説明 され ている
ことか ら推察す ると接着性 の細胞 へ の重力の関与 も考えられ るか もしれない。細胞周期に伴 う
細胞 自身 の運動が細胞内部 の物質代謝 の結果なのか、培地中に微量に存在する成長因子などの化学物質 と受容体 との相互作用により引き起 こされる結果なのかわか らないが、細胞の接着や運動に必要な運動タンパ ク質や細胞骨格は細胞に基本的に組み込まれ てい る。分化 した多 くの細胞においては、同 じ接着分子をもち一定の細胞外基質 に接着 してい る細胞 (こ うい う細胞群
を同じ細胞 とい う)は 、接着 していることにより通常細胞増殖は抑制 され ている。通常血球系の細胞 のみが運動能を保持 している。赤血球は受動的 に血 管内部を移動 しているので、膜直下の裏打ち構造以外 の細胞骨格は分化 の過程 で消滅 している。 自血球 の うちマ クロフ ァージは細胞に侵入する際接着 し運 動する。
一方個体 の運動は意図的であろ う(随 意運動)となか ろ うと (不 随意運動)、 神経 か らのインパルスにより筋 が収縮す るとい うシステ ムをとつてい る。従 って個体 の運動の成立には少な く
とも二つの分化 し分業 した細胞 ―神経系 と骨格筋が必要である。骨格筋 では、fII胞 内にお こる
モー ター タンパ ク質 の相互作用を張力に変換 し、さらに個体 の運動へ も効率 よく変換 す る徹底的に特殊化 された構造的基盤がある。対照的に神経細胞は電気インパルス と化学的物 質のみに反
応すべ く保護 され ている。神経系は頭蓋骨 と脊椎 のなかで、何重にも巻 いた ミエ リン鞘により隔離 され神経細胞固有 の情報 の正確な伝達 のためのシ ステム (お もにイオ ンチャンネル を用 いた電気信号 による)を 構成 している。 この両 シ
ステムにはチ ュープ リンモー ター タンパ ク質系が発達 しエネル ギー供給 のための物質や ミトコ
ン ドリアなどの輸送 を担 ってい る。特に神経fII
胞 では細胞体でつ くられた物質が長 い神経突起
末端 のシナ ップスヘ 輸送 され るために長い レー
ル となるチ ュープ リンと逆行性・順行性 の両モー ター タンパ ク質が数十個 も発見 され ている。
細胞 自体 の運動は抑制 されてはい るものの、細胞内部は動的現象に満 ちてい る。

4.外 界 (物 理的世界)の 認知 (上 下左右の認識 )、 姿勢保持および姿勢制御
外界を正 しく認識す るためのセンサー・感覚器官があるために、個体 として能動的な運動を遂行する こ とが出来る。聴 覚、味覚な どは さておき、運動の遂行 に必須なのは骨格筋内部 の張細 胞 分 子 生物学

地 球 生物 学 か ら身体運 動科学 を再考 す る

カセンサー と平衡感覚であろ う。張カセンサー
は骨格筋内部 と腱に存在す る特殊化 され たIII胞
であ る筋紡錘 と腱紡錘 (内 部に存在す る収縮要素)で 神経 とループ構造 を形成 し末梢 レベル だ
けの速 い調整を行 うと同時 に個体全体 へ の調節
系へ も、 さらに平衡感覚をつか さどる内耳お よ
び小脳 とも連絡す るシステムを形成 してい る。
平衡感覚は内耳の三半規管内の有毛細胞 がセ ン
サーであ るが、これ も実は機械的伸長刺激に対す る細胞 のチャンネル とそれ と連結 した細胞骨格 に依 るものであ るらしい。視覚 も重要で外界の物理的環境 の認識に必須で ある。姿勢 を保持
す るときには、 これ らの上述 したシステムが稼
働 される。
5.■ 力に抗 しての移動のための筋骨格系(伸 張収縮系)
1)運 動 と力の発揮 とそのための エネルギ
ミオ シン・ アクチン とい う二つの タンパ ク質とATPと い うヌクレチオ ドが存在す ると運動が起こる。片方を固定す るともう一方 が走 る。走 ろ
うとす る分子 の端を張力計 に連結す ると張力を測 ることができる。分子モー ター とも呼ばれ る
如 く、タンパ ク質分 子の相互作用 である。 モー
ター タンパ ク質 ミオシ ンの分子量は大き く (約40万 )、 レール となるアクチ ンー個は球状 で分子量 4万 4千 、相互に 7〜 8個 連結 して (重 合して)線 維上の タンパ ク質 をつ くる。線路 上を
荷物 をのせて運搬す る電車 のよ うなシ ステムとしてチ ュー プ リン・ ダイニ ン/キ ネ シン系モーター タ ンパ ク質 が存 在 し主にGTPを エ ネ ル ギー として利用するが、力の発揮 とい うよりも主に物 質の輸送 システムとして細胞内で機能 してい る。
2)ミ オ シン・ アクチン (と ATP)の 相
互作用 に よる (滑 り)の 発生
アクチ ンでで きた線維上の構造 に沿 つて ミオ
シン分子が移動す る結果、両者 の相互作用 によって生 じる運動は滑 り運動 となる。 アクチ ンの長 さが決 まっている (そ の長 さが熱力学的 に安定なのか)、 ATP一 個 の加水分解 のエネ ルギーにより移動出来 る長さが決ま っている、ミオシン・
アクチン・ ATP/ADP分 子間 の相互作用時間 と安定性等 に規定 され て滑 り運動は往復運動つ ま り
収縮運動 となる。 アクチン相互の連結部位は微妙にづれてい るのでねじれが介入 し、結果的 に弾性 を内包す ることになる。
3)ミ オ シン・ アクチンモーターの Z帯 お
よび基底膜 を介 しての骨への連結 による張力の発揮
横紋筋 ではこの ミオシン・ アクチンの相互作
用をす る単位 の長 さが一定であ り (サ ル コメアとい う)、 アクチン結 合 タンパ ク質 を含むい く
つ かの タンパ ク質 に よ り約 2.2μ mご とに仕切 られてい る。 このしき りを Z帯 (膜 )と い う。
Z帯 のタンパ ク質群 は通常の培姜fII胞 の力の作
点接触 の構成 タンパ ク質 と類似 し用点である焦′てい る。骨格筋 は細胞 の両端 が特殊化 された結合組織 である腱を介 して骨 に連結 され てお り、Z帯 お よび腱は張力を伝える構造物 として機能してい る。 このことにより筋組織あ るいは筋fII
胞は一定 の長 さに保持 され ている。収縮 の仕方にもより、収縮せず とも受 動的な伸張で も、連結部位 である Z帯 には張力がかか り伸張 され ることになる。骨 に連結 していない心筋 で も Z帯に コラーゲ ン線維 が結 合 して張力の伝達部位 であ ることが報告 され ている。また Z帯 には細胞膜 に存在す る脂質 も局在 してい る こ とも報告 さ
れ、収縮 のシ グナル分子 であるカルシ ウムの貯蔵部位である小胞体や タンパ ク質 の製造 工場 である リボゾームなどもこれ らの張力発揮 の構造で ある収縮構造・ Z帯 との関係 で配置 され ていることが分 か りつつある。余す ところな く徹底
的 に機会的刺激に適応 した骨格筋 は遺伝子発現の機構まで構造化 され ているもの と考 えられる
(後 述 )。

4)ミ オ シンの ATP結 合とその加水分解

酵素活性 を利用 したエネルギー利用
ミシオ ンはATPや ADPを 結合す るア ミノ酸 の配列 (ド メイン)を もっている。アクチンは ミオ
シン分子 と親和性が高 く触媒 の様 に働 き ミシオ
ンのATPア ーゼ活性 (ATP分 解活性 )を 高める。
カルシウムイオ ンは トロポニ ンCに 結合す ることにより塞 いでいたアクチ ン分子の ミオシン結合部位を露出 させ、その相互作用を可能にさせる。それによりさらにその活性 が増加する。 こ8の化学反応 に ともな う分子の構造変化 が機械的
エネル ギーつ ま り張力へ の変換を可能 にす る。

跡 見た。 リン酸化 され た物質 の極性が変化す る ことによりその物質 と相互作用す る物質 の反応性を
5)収 縮 のシグナル分子はカルシウム
変化 させ る。将棋 の駒倒 しに似 てお り、は じめの駒へほんの少 し加えられた力が次 々へ と隣 り
通常カルシ ウムの急激な増加は神経細胞 か らの刺激が貯蔵場所 である筋小胞体 のカルシ ウム
合 った駒へ受 け渡 されるように、隣 り合 つたタ
ンパ ク質の リン酸化が次 々へ伝搬 され、細胞膜チャンネル を開きカルシ ウムを放出させることか ら核へ 、あるいはグ リコーゲンの分解 カスケ
によってもたらされる。カルシ ウムはカルシ ウ
ム を結合する構造をもった トロポニン Cに 結合
ー ドにおける基 質 と酵素の相互作用などに利用し、それに伴 うタンパ ク質 の構造変化 が上記 ミされる。またこのような生体物質の リン酸化は・エ
オシン アクチ ンの相互作用による滑 り運動を
ネル ギー準位を上げるこ とで反応性が上昇す
ATPの 加水分解は細胞内 に可能にさせ る。刺激時には細胞内カルシ ウム濃るもの と考 えられる。
6モル
いと上昇す るが、度は 105〜
非刺激時 にお て
存在す る少量 のATPと ク レアチ ン リン酸 な どの高エネルギー リン酸化合物 の分解により放出
は 107モ ル と低 い。細胞外カルシ ウム濃度は103
モル と高い。
しる。
さオ
3)嫌 気的分解 と好気的分解
6.エ ネルギー産生システムの糖 嫌気的分解 である解糖は好気的代謝 より
地球上で の運動は重力 とともにATPの 主要も地球上では古 いATP産 性 (再 合成 )シ ステ ム
である (つ ま り酸素 が生成 される前に生命が存な産生に欠かせない酸素により規定 される。植物による酸素の産生、空気中の酸素の含有量の在 していた)。 6個 の炭化泳 素化合物 が分解 され 3個 の炭化水素化合物 である ピル ビン酸 にな
増加などにより生 した今 日の地球の環境条件が生物のエネルギー産生 システムを造 った といえる過程で 2分 子のATPが 再合成 され る。
解糖 によって生存 している生物は現存 しているが、単純る。
1)エ ネルギーとエネルギー源な構造を持 つ原核細胞 であることが多 い。人 の筋収縮 の直接のエネルギーはATPで ある。ATP
生体内では赤血球など数少ない。 ピル ビン酸かATPは 適度には三つの リン酸基を結合 している。
らさらに水素を受 け取 り乳酸に変化する ことにより、不安定な物質であるため、分解 されやす く結合
補酵素NADHを 酸化 しNADと す ることによりのを一個切 るごとに約 7キ ロカ ロ リーの 自由エネ
解糖 中間段階に必要なNADを 供給す る。
ルギーを放出する (ATPtt H20=ADPtt Pi+エ ネ
酸素 の存在下ではNADHの 酸化は ミトコン ドリルギー)。 III胞 内には一定程度存在するが、必アで行われる。好気的代謝が優先 され るが、乳要に応 して再合成 される (ADPttPCr=ATPttCr;
酸脱水 素酵素 の種類 (ア イ ソフォーム)も 両代
クレアチンキナーゼあるいは 2 ADP=ATP+AMP;
謝系相互 の調節に関与してい るか もしれない。
ニ
エ
レー
アデ
4)エ ネルギー源・ 糖/脂 質 の分解
トキナーゼ)。 再合成の元になる
ネルギー源は糖質、脂肪などの外界から摂取 し
代謝は好気的代謝が中̀き である。糖質は嫌気た食物に由来す る。食物は消化器官で分解され、 的分解 と好気的分解 の両方 で代謝 されるが、脂体内の組織 へ輸送 され構成 しているfIB胞 へ とり
質 の分解は好気的代謝 のみである。小胞体 でのこまれ て細胞内で再合成 され貯蔵 される。余剰
β―酸化 の 後、 アセチルCoAと な り、糖 質 とな糖質、脂肪は脂肪組織 の脂肪細胞にとりこま同様 に ミ トコン ドリア内で TCA回 路 お よび 酸
れ、脂肪 として蓄えられる。糖質は脂肪 に変換
化的 リン酸化 により、水素は分子状酸素に受けされるが合成 された脂肪は糖質に戻らない。
渡 され、それまでの過程 でATPが 再合成 される。
2)リ ン酸化とリン酸化合物 と高エネルギ
アセチルCoAか らはATPが 17分 子生成 される。脂ー リン酸化合物とヌクレオチ ド
質は分子内の水素含有量が多 いので、分解 エネ
細胞内のシグナル伝達の中′き様式が糖、
脂質、 ルギーは 1グ ラムあた りでみても糖 質の 4キ ロ
タンパ ク質の リン酸化であることがわか ってき
カ ロ リー に対 して 9キ ロカ ロ リー と高いので貯細 胞 分 子生 物 学

地 球 生 物学 か ら身体 運 動 科学 を再 考す る

してい ることか らも共生説の正 当性が裏付けられてい る。 ミトコン ドリアの内膜、外膜 に埋め込まれ た呼吸関連酵素群 の遺伝 子 の一部 は核に
コー ドされ独 自には ミトコン ドリアタンパ ク質を合成することはで きない。核 に コー ドされた
タンパ ク質 は他 の ミトコン ドリア外 の タンパ ク
質 と同様fII胞 質で合成 され、 ミトコン ドリアヘ
下する。
8. ミ トコン ドリア
運搬 され ミトコン ドリア内で初 めて正常な構造
1)酸 素 の特性 と役割を とるこ とが報告 され ている。そのタンパ ク質の輸送お よび フォールデ ィング (立 体的な形 が酸素分子は生体 の主要構成元素である炭素や出来 ること)に ス トレス タンパ ク質 が関与す る
窒 素な どと異な り、最外郭 の電 子軌道 に不対のことが明らかにされてい る (後 述)。 ミトコン
電子を含んでお り、常に安定な状態へ と遷移 しドリア内 で はバ クテ リア と類似 したシ ステム
たがる傾向をもってい るので きわめ て反応性 がーmRNAを 合成 しつつ 同時にア ミノ酸へ の翻訳、高い。鉄分子を構造に含んだ タンパ ク質 は酸素
タンパ ク質へ の合成をおこな ってい くので、真とゆる く結合 し酸素 の運搬体 となることができ
ADPの リン酸化 と共役 して働 く鉄結合酵素で核生物 の通常のシステムとは異なる面 がある。
る。
あるチ トクロム Cオ キシ ダーゼは酸素を結合 し、 しかし、 ミトコン ドリアの増殖は独 自の刺激 により調節 され ていると考 えられ、最近単純な分水素の受け取 り手 として機能する。化学的 には
裂装置 さえ内包 してい ることが報告 され ている。
疎水性 の環境をも とめて移動す る。生理学的 にのミトコン ドリア遺伝子の複製はバ クテ リア と類
は、肺お よび末梢 の組織 では酸素分圧 差によ似 してお り、環状 2本 鎖 の繋ぎ 日の構造 の変異
リガ ス交換がな されると考え られてい るが、実―の受 けやす さと機能 との関連 が様 々な病態 と関の際の酸素 の通 り道は肺胞 の細胞膜 赤血球 細蔵 エネルギー として適 してい るが、単位時間あパ ワー を競 う競技 にた りのATP再 合成量は低 く、は不向きである。またTCA回 路 での代謝が スムー
ス に行 われ るためには TCA回 路 の基質 の 十分な供給が必要である。回路 の基質が一つ で も不足すると、それが律速因子 とな り代謝速度 が低

胞膜 ―ヘ モグ ロビン……筋IIB胞 の細胞膜 ― ミオ
グ ロビンー ミトコン ドリアの膜 ―チ トク ロムで、最終的 に水素を受け取 ることにより水 (H20)を生成す る。
反応性 の高い酸素はイオ ン化する こ とが避けられ ず 、 一 部 は スー パ ー オ キ シ ドア ニ オ ン
パー オキサ(・ 0ア )へ と変化す るが、 SOD(ス ーイ ドデ ィスム ターゼ)と い う酵素 により過酸化
SODは 運動 トレーニ ングに水素へ と代謝 される。
より増加す ることが明 らかにされ ている。
2)細 胞質 との対話 (共 生)と 独 自性 :遺伝子 の分有、タンパク質合成 と輸送、細胞内での移動
ミトコ ン ドリア は独 自の 遺伝 子 (DNA)を
持 ち、 ア ミノ酸翻訳 の コ ドンのルールが核 のルール と異なるので、起源は別 であ り、嫌気性 の細胞 との共生により細胞内小器官 として共存 した もの と考えられ ている。 ミトコン ドリアは食物 のクロロプ ラス トとともに分子状酸素を利用
す るきわめて特殊な構造 を進化 させた。 ミトコ
ン ドリアは現在の生物 シア ノバ クテ リアと類似係することが報告 されてい る。受精卵 にお いても ミトコン ドリアは細胞 質 に存在す ることか ら、
母親 の ミトコン ドリアを遺伝的 に受け継 いでいると考 えられてい る。 ミトコン ドリアは細胞内で微小管や マ イクロフィラメン ト (ア クチ ンフィラメン ト)に 沿 つて移動す ることが観察 されてお り、細胞 の構造 ― とくに細胞骨格 との関連が示唆 されてい る。

(2)身 体運動を骨格筋 及び骨格筋細胞の構造と機能か ら考 える
これまでの体育学 。身体運動科学 の領域 で中心的に行われ ていた研究 ―ひ との運動を中̀き にすえ、全身運動であるエアロビクス と筋力発揮 、
そ して個体 の運動の巧みさの解析 ―は細胞生物学で考えにくい研究対象ではある。組織までは
遡 ってもほとんど細胞 レベルで論議 されて こなかった。唯一筋線維 (筋 細胞)の 線維組成 として線維 タイプの変化が ミオシンのATPase染 色 とい う方法あるいは単一筋線維 として研究 されてきた。間違えやすい筋線維 とい う単語を使 うの10で、筋線維が筋細胞であるとい う意識 が希薄 である。短時間 の動きや力の発揮 の基本的な研究は個体 レベル と分子 レベルの研究が スポーツ科
学、生物物理学 の両分野で進行中で そ こには必ず しもIII胞 の概念は現在必要ない ようである。
しか しこれ らの分野でも収縮様式の違 い、個人
差など個 々のデー タに見 られる微妙な揺 らぎや
ずれを引き起 こす機構、あ るいは可塑性 の研究のよ うに、生物、生体へ の時間をかけて一定 の永続的な変化あるいは急激な遺伝子発現などの機構を検討す るときには、化学反応 の起 こる場と一連 のマ シーンを内臓 している細胞 の分子生物学的見方 (細 胞/タ ンパ ク質/DNA)が 必須であ る。外界へ の適応 のための機構は この地球上で生まれ育 って きた生物の基本論理であるか らにほかな らないか らである。

跡見

2.組 織は単 一の細胞で構成 されて いるのではない
組織は分化 した一種類 の細胞がお互い に (同じ接着構造/受 容体 を持ち、その接着構造/受容体によりお互いに、 あるいは同 じ細胞外基質に結合 してい る)認 識 しあ つて集 った集合体 である。骨格筋は骨格筋細胞 により構成 されているが、骨格筋を構成するfII胞 のすべ てが骨格筋細胞ではない。筋サテライ トセル、線維芽細胞、
血 管内皮細胞、あるときはマ ク ロフ ァー ジが侵
入 してい る。 とくに トレーニ ング期など骨格筋により多 くの刺激を与え、通常の代謝 レベルが上昇 してい る場合は、その刺激に即応 して反応し、適応す るために細胞増殖、細胞死、筋fII胞の肥大・ 萎縮など様 々な動的変化が細胞 レベルでおこっている。量的に多い大多数 の筋細胞 よりもそれ以外の細胞がその時′点で重要な役割を
1.生 体 の しくみには階層性が ある :骨 格筋 果たしてい ることもある。月千臓や心臓はもっとの階層性 と機能と構造
多 くの種類 の細胞で構成 されてい る。運動によ図 1は 細胞を意識 して書 いた骨格筋 の階層性
る̀心 筋肥大 と病的な肥 大 の差の一つ として心臓であ る。機能的 には収縮 し力を発生す るとい うの組織 中の線維芽細胞 の成長因子 (PDGF;血 小ように一元化 しているが、 よく考 えてみると当板増殖因子)に 対す る反応性の変化 が報告 され然のこ となが ら他 の細胞 と共通 の構造 をもっててい る。虚血後 の再還流 で活性酸素で,さ 筋障害
い る。骨格筋 の機能があま りに強力で魅力的でがお こるの も毛細血管の中の 自血球の仕業でああるため、骨格筋は収縮 装置のみが強調 され る。 るとの報告例がある。成長後の大人 の心筋細胞
図 2aは よく引用 される骨格筋 の収縮機構 の階は増殖 しないが,心 臓を構成 している他 の細胞は層性を示す図である。 この図では筋線維が細胞
必ず しもこの限 りではない。血 管の豊富な組織に相当すると考えられ るが、明瞭なF4B胞 の概念
は血管の内皮細胞や血球細胞 のその組織 を構成が見 られない。骨格筋では分子か ら組織 レベル
す る主要な細胞へ の影響は見逃す ことがで きなまでの全ての構造 が線維状 になっているので、い。持久性の運 動・ トレーニ ングに ともな う′
らとくに間違えやす い。実際、 ミオシン、アクチ
筋内で も,さ 筋細胞以外の線維芽細胞、血 管内皮
ン とATP分 子 があれ ば基本 的な収縮特性 は記細胞などに様 々な変化が生 じてい るだろ う。
録 され、組織 レベル 、個体 レベルで測定 した収
縮特性 と類似 した結果が得 られるのであ る。 こ
3.筋 細胞 の特殊性
こには細胞であることを典型的に示す核が描か
骨格筋細胞 (筋 線維 )は 単核 の沢山の筋芽細いい
れて な が、核は収縮には必要がないのであ胞が出産前、お よび出産後 の新生児期つ ま り胚る。筋線維・ 筋原線維 を東ねてい る構造 (細 胞形成時お よび生後の数年 の手L児 期 に融合 してで
:図
2b)も
い
骨格
無視 され る場合が多 が前述
きた多核 の細胞である。成熱 したお となの骨格した よ うにECMに つ なが る この構造 が力の伝筋 の核の数は速筋 で数千、遅筋 ではその倍ある達を担 ってい る。細胞増殖や遺伝子発現を担 っとい う。 この筋線維がで きてい く過程は細胞培
てい る核やサテライ トセル は骨格筋 の可塑性を養法に よ り培養デ ィッシ ュ上で も観察で きる
′
えるときの
き
2cは
考
中 的存在になる。図培養(図 2c)。 すでに骨格筋になるこ とは決定 し筋細胞における筋形成 と核 の変化である。
てい るが融合前の単核 の細胞 を筋芽細胞、融合

細 胞 分 子 生物 学

地 球 生 物学 か ら身体運 動科 学 を再 考す る

してチュープ状にな ったもの を筋管細胞 とい う。
この変化を分化 とする。 この数年の研究でこれらの過程には 4つ の筋決定遺伝子であるmyoge
nic factor,Myo D,Mif5,myogenin,MRF4が 関
係 してい るこ とが明らかにされてきた。これ らの関係をまとめると図 3a,b,cの ようになる。
JyoDと Mif 5が 共同 して 中胚葉性 の線維 芽細胞を予定筋芽細胞へ と決定 し、さらに yogeninに働 きかけて筋特有の構造 タンパ ク質を発現 させ る (分 化 させる)(a)。 これ らはお互いに共同 して遺伝子発現を増幅 し (b)、 他 の因子(成 長因子、原癌遺伝子、ホルモンなどの液性因子)に よって抑制 され ることが分か っている
(C)。 これ らの遺伝子は発生時の筋形成過程
だけでな く、骨格筋再生 の過程で も発現することが報告 されてい る。すなわち再生時には発生の過程 と同様 の過程を繰 り返す と考 えられる。
伸長性収縮後、特に速筋では数分後に細胞骨格の一つである中間径線維 のデ ス ミンが壊 され、数 日後に フ ァイプ ロネ クチンが発現する こ と、筋破壊後 の 再生時に癌遺伝子 で あ るo一 fosや
c― mycが 発現するこ とが報告 されてい る。骨格筋細胞が基底膜 (Ⅳ 形 コラーダ ン とラ ミニ ンな
どが骨格を作 ってい ると考 え られてい る)に 囲
まれてい る。細胞が基底膜 に接着 してい るとい
うこ とは基劇 嘆か らシグナルを受容 し伝達系を形成 してい るとい うことで ある。 もう少 し生化
学的あるいは生命科学的 に言えば筋細胞 の膜 には コラーゲ ン、 ラミニ ンの受容体 があ り細胞 の外にある コラーゲ ン、 ラミニ ンは受容体を介 してそれ らにかかる刺激を細胞 に伝 えてい る。受
容体 の細胞 の内部には細胞骨格が結合し外 からの刺激を核、小胞体などの細胞内小器官に伝えている。 この場所 は骨格筋、心筋などの横紋筋の場合、筋腱結合部お よびサル コメアの Z帯 に相 当すると考えられる。B orgら は′き筋で コ ラーゲ ン線維が Z帯 を介 して細胞の中に入 つている
電 子顕微鏡像 を報告 してい る。一般 に細胞内のシ グナル伝達系は タンパ ク質 の リン酸化 によるものであろ うことが示唆 されてい る。我 々は接着性 の細胞特に骨格筋は、この ように細胞外からの刺激、 とくに機械的刺激をダイ レク トにしか も効率良 く収縮 タンパ ク質だけでな く、核に11まで伝える構造に進化 しているとい うモデル を
提示 してい る。
他 の細胞 と違 つて骨格筋細胞 の核は融合後 自発収縮が始まると、細胞膜直下 に移動する。核のす ぐ外側は細胞膜があるだけで細胞外基質に接 してい るので直接刺激が核に伝わる。 ス トレッチが数分 の内に遺伝子発現を引き起 こし、タンパ ク合成を上昇させるなど筋に様 々な影響 を与えるの もこの よ うな構造ゆえであろ う。細胞
膜直下にも裏 うち構造の細胞骨格 が発達 している。その遺伝子が欠損 して発現するジス トロフ
ィーの病態 の一部は、ジ ス トロフ ィン タンパ ク
質あ るいはジ ス トロフ ィン結合膜 タンパ ク質 の異常・ 欠損がfII胞 膜をは さんで細胞 の裏打ち構
造 と細胞外基質 の間の機械的刺激の伝達 の異常が主因であると考 えられてい る。松 田はジ ス ト
ロ フ ィン マ ウスMDXで は症状 が軽 い が遠 ′心機
・いを用 て筋組織 にかかる負荷 重力を増加 させると、人のジ ス トロフ ィーの疾患 と同様 に症状が重篤になることか ら、重力の もとでの人 の成長に伴 う体重 の増加が筋細胞 への負荷を増大 させジス トロフ ィンなしでは支えきれないこ とによるとい う報告をしてい る。筋細胞は特殊なようにみえるが、類似 の裏打ち構造はどの細胞 ももってい る。生体 の各組織 のおかれた機械的刺激に対す る環境あるいは温度などの物理的化学的環境 により、細胞 の周 りの細胞外基質 の構造 、発達 も異な り、それに対応 して細胞 の内部 の骨格構造 も異な って くる。

4.細 胞 を取 り巻 く環境・細胞外基質とス ト
レ ッチ

細胞外基質には コラーダ ン、プ ロテオグ リカ
ン、 フ ァイプ ロネクチ ン、ラ ミニ ンなどの タン
パ ク質があ り、接着す る細胞 の増殖、分化、形態、性質などに影響を与えてい る。細胞 ど うしが互 いに接着 しあるいは細胞外基質 =細 胞外マ
トリックス と結合 していることは とりもなお さ
ず接着 してい る細胞あるいは受容体を介 して細胞外基質 (構 成するタンパ ク質)か らの刺激を受け取 つてい るとい うこ とを意味す る。卑近な例を とれば、アキ レス腱 (細 胞外基質の一つ であ るコラーゲ ン線維 の特殊化 したもの)を 仲ば

12

跡見

の細胞 の形態 の変化が細胞 の分裂のための装置
す体操 をすれば、そ の 珀1激 は腱か ら筋細 胞 のECM受 容体に伝わ り、一式が正常に機能す ることを妨げている可能性
受容体 と結 合 している細胞骨格 タンパ ク質を介 して、タンパ ク質 の合成場が示唆 されてい る。生体内では他 の細胞あるい所である リボゾー ムや遺伝子発現のおこる核ヘは細胞外基質 と接着 して組織を形成 してい ること刺激 (細 胞内情報)が 伝達 され る こ とになる。 と自体 が増殖抑制の環境なのである。病気で肝細胞外基質は後述す るよ うに骨格筋 の可塑性 の臓 を切 除す るとそのことが合図 となって肝細胞基盤を形作る。
の増殖が始ま りもとの形にまで回復す る。 この
図 2に 示 したよ うに、筋組織には基底膜 の内不思議な増殖能 の制御 と形づ くりのメカニズム側、骨格筋fIE胞 膜 の外側、つ ま り基底膜 と骨格はまだわか っていない。多 くの癌細胞は この接筋細胞 の間 にはた くさんの融合 してない筋芽fIE
着 による増殖抑制が効かな くなってお りこの過胞 ̀サ テ ライ トセル'が 存在す る。サテライ ト
程にF41胞 外基質が関与 してい るらしい。正常な
セル は筋細胞 が壊れた ときの増殖予備軍 で、基個体 では うまくいっている細胞 の増殖 と分化 の底膜 か ら遊離す ることが増殖 の刺激 とな り、分複雑な調節機構 の一部が狂 ってしま うと、個体
裂 し、融合 して基底膜 の 中あるいは外に新 しいをも死に至 らせ る場合がある。
細胞 を形成す る。サテライ ト細胞は他 の組織 の幹細胞 と同様 に基底膜 と接着 していることに よ5.細 胞骨格り増殖能を保持 してい ると考え られてい る。 こ
図 2に 示 した筋原線維 の東ね役であ り細胞 のれまでの多 くの骨格筋 の可塑性に関す る研究か
屋台骨である細胞骨格系は、 3種 類 の タンパ ク
ら適当な筋 の伸長は骨格筋組織 、筋細胞 の維持
質 (の モ ノマー)が 寄 り集ま って (重 合 して)に不可欠な要因であるように見える。 Darr&
構成 される。アクチンによって構成 され るマ イ
Shultzは ラッ トの後肢懸垂後数 日内に筋細胞
ク ロフ ィラメン ト、チ ュープ リンによって形成の核、サテライ トセルの減少が見 られ ることをされる微小 管、太 さがその中間の中間径 フ ィラい報告して る。 さらに成長期の若 い ラッ トでは
メン トである。 いづれ もアイソフォーム (基 本的サテライ トセルの分裂による細胞 の増殖 が後肢な役割は同じであるが 、発現する細胞 組織によリタンパ ク
垂こ懸 直後に抑制 される とを示 した。これ らの質のア ミノ酸組成が少しづつ異なってお り細胞 の特徴を反ことは詳 しい機構 は不明であるが骨格筋 の収縮映している)が ある。アクチン線維 (F― アクチ ン)あるいは細胞外基 質である基底膜 を構成す るタ
および微小管の形成は遊離のモノマーが多い とパ
ン ク質そ して細胞骨格を介 しての適 当な張力形成促進、少ない と脱重合が高進 し、線維 の形が生体内で も骨格筋細胞の分裂・ 増殖・ 融合す成が抑制の方向へ とバ ランスする性質がある。
なわち骨格筋 の発達に必須である こ とを示唆 し
すなわち細胞骨格は時々刻々 と変化す る細胞内ている。我 々の研究室ではこれ らの機構を研究
環境に呼応 してダイナ ミックにタンパ ク質 レベ
コ
す るモデル として、シ リ ンゴムで細胞伸長装
ルで も遺伝子発現 レベルでも適応する素材でつ置を自作 した。細胞へ の機械的な刺激 とくに ス
くられているともいえる。微小管は20° 〜 37℃
レ
ト ッチを通 して筋形成、肥大・ 萎縮 の機構をの温度では重合を促進、それ よ り低 い温度や解明する研究を行 ってい る。現在の ところ コー
c a2● ィォンは重合を抑制する。
そればか りでな
テ ィングした コラーグンを介 しての細胞 へのス
く遊離のチ ュープ リンはそれ 自身のmRNAに 結合
トレッチ刺激は細胞 の増殖を抑制する傾 向があし、遺伝子の転写を抑制する。つ まり遺伝子発ることが明 らかになっている。また コラーグ ン
現をも自動制御す るシステムになっている。 ミ
グル培養法 と言い、3次 元の立体的な環境 の中
トコン ドリア、ライソゾームなどの細胞内小器で細胞 を培養す る方法 (通 常の培養デ ィッシュ官はこの微小管のレールの上をミオシンの代わの上での培養に比べ て生体内の環境 と近 いため
りにキネシンやダイニン等のモー ター タンパ ク
近年器官培養 の研究の主流になって きた)で も質を使 って移動すると考えられる。ポ リペプチ
コ細胞の増殖は抑制 され る。 ラー ダングル 内でド鎖を伸長するolongation factor(EF),mRNA,

細 胞 分 子 生 物学

地球 生物学 か ら身体 運 動 科学 を再 考 す る

nRNAの cap構 造 な どの タンパ ク質 へ の 翻訳装
置 の部 品の一部 は細胞骨格 アクチ ンフ ィラメ
ン トに結 合 して い るこ とが報告 されて い る。
Horne&Heskesら は骨格筋 の 内部 では リボ
ゾームがサル コメアA帯 と局在が同じであることを報告 してい る。中間径 フ ィラメン トは通常
モ ノマーにならない と考えられてい るが、細胞分裂時には リン酸化 により脱重合する。筋細胞の崩壊時 には真 つ先に脱重合あるいは分解 される。発生渦程で各組織 が分化す るときには アイ
ソフォームが代わ り、その組織 に適 した機能 と強度を維持す るようにみえる。

6.核 と核骨格 とDNA筋fII胞 の核 は細胞膜直下にあるのでfII胞 外 からのシグナル を時間的にも距離的 にもダイ レク
トに受 け取 ることが出来る。生体組織 由来の培
養細胞や株化 した細胞 を使 って、筋細胞形成 における核 の動きや核構造 の変化を追 うと興味深い。融合す る前 の細胞 の核をTriton X 100の よ
うな非イオン系の可溶化剤で処理すると核骨格が残 る。核内 には細胞骨格 よりももっと編み 目のFIBか い核骨格 が張 り巡 らされ ていることがわかる。DNAは 特別な配列 (AT:ア デニ ン・ チ ミンが多い)で 核骨格 に結 合 してい る。骨格筋 の収縮や ス トレッチに伴 って腱や骨か らの刺激が直接 タンパ ク質 の リン酸化 などを通 じてク ロマチの核 の遺伝子発現 により転写 される融M,そ れ
か ら合成 され る タンパ ク質はそ の核 か らお よそ50〜 100 μmで あるこ とがそれ らの分子を視覚的 に見える よ うに修飾 した細胞組織学的研究に
より培養細胞で示 された。神経刺激は筋線維の端 か ら端まではぼ均一に刺激を伝えるようであるが、局所的な刺激は必ず しも同 じではない。
特 に どんな刺激に しろ刺激 の 量や質 の変換期
(移 行期)に は新 しい刺激に対する遺伝子発現と前か らの刺激 に よ りす でにつ くられ ていた
mRNAや タンパ ク質 (た とえば ミオシンの軽鎖やインテグ リンなどは細胞内にタンパ タ質 のプール がある)が 混在する時期 と場所があ り、分析
す ると両方 のmRNAや タンパ ク質が発現す ること
一つ の長い筋になる。Staron&Petteは 以前、
二
かに
上の
ミオシン重
)の
な
種類以
細胞 (筋 線維鎖 が発現 してい ることを報告 してい る。彼 らはその後筋か らシン グルフ ァイバー (一 本 の筋線
維/筋 細胞 )を 抜き出 し、20個 に分割 し (一 片が20 ng),RT― PCR法 で発現 してい る ミオシンのmRNAの タイプ を検出し、両端が一種類、中央部 が二種類 の タイプを発現 していたことを発表していた。さらにPetteは 新 しい ミシオンのタイ
プの発現を免疫抗体法を用 いて細胞 の核 の周辺の細胞質を染色す ることで鮮 やかに示 した。遅筋線維 は速筋線維 よりも細胞 の核 の数が二倍 も多 いのはなぜそ うな ったのかわか らないが、代謝や構成 タンパ ク質 のターンオーバーが数倍 も高い遅筋線維 では核 の数 も倍多 くない と要求 され るタンパ ク質 の合成 に対応出来ないのか もしれない。

ン構造 に影響 を与える可能性 も強い。先に示 した (図 2)よ うに機械的刺激は主に細胞外基質
か らの 核 の DNAに い た る細胞 内構造 を介 して伝達 され ると考えられないで あろ うか。おそら
く筋組織 ほどシ ステマテイックに構造により機
7.使 用性肥大 と廃用性姜縮・ タンパ ク質の能 が規定 され ているfII胞 ・組織はないであろ う。
合成 と分解の調節
図 1に 示 した筋組織 の階層性 のモデル に示 した
男性 ホル モン、成長ホルモンなどは筋 タンパ
筋機能 の一元化はこれ らの構造的背景 に裏付け
ク質 の合成 を増大 させ るが、その とき同時に筋られてい る。脳組織 の機能 の多様性 とは対照的
カ トレーニ ングなどで筋の活動状態を通常 よりであ る。現在筆者は この観点にた つて骨格筋組も高めるこ とが必要である。活動状態を通常 レ
織 の 可塑性 について研究を進行中であ る。光学ベ
ル よりも低下させると筋重量は低 下する。どDNAの 塩基 に選択的 に結合す
顕微鏡 レベルでは、のDNAがような機構が働 いて、骨格筋は現在 の活動 レ
DAPI,PIな
ると
どで染色す
観
る蛍光色素
ベ
ルに合わせて タンパ ク質の合成 と分解 を調節
察 できる。
しているのであろ うか。Ku&Thomasonは 後肢細長い筋細胞 (筋 線維 )に 沿 つてた くさんあ懸垂 モデルでの ラットの ヒラメ筋 タンパ ク質のる核は卿l々 に調節 されてい るであろ うか。 一つ

跡 見

合成 の低下が一時間以内で起 こる (タ ンパ ク質の分解 が始まるのは数 日後)こ とに対 し、mRNAの コー ドをア ミノ酸 の配列へ変換 しポ リペ プチ
ド鎖を伸長 してゆ くいわゆるタンパ ク質 の翻訳
工場 リボゾームが うまく機能 しないこ とが主因である ことを報告 している。後肢懸垂群 では大きなポ リゾームが増加すること、すなわち新 しく根NAに 付着 した リボゾームが転移す るこ とが出来ず、ポ リゾーム とな って交通渋滞を引き起こしタンパ ク質合成 が減少 す るらしい 。また
eEF‑2の リン酸 化 に よ リタンパ ク合成 の低下が起 こることも報告 されてお り、骨格筋 の収縮あるいは骨格筋の細胞骨格へ の張力が細胞内の リン酸化やカルシ ウム濃度 の変化を介 してタンパ ク質 の合成状態を活動状態を瞬時に反映するしくみを構造的に有 しているのか も知れない。
骨格筋 の活動状態を高めるとは筋収縮に伴 って生ずる様 々な細胞内の変化 ―ATP再 合成 の上昇、ATP、 ADP、 無機 リン酸 (Pi)の 濃度、 ATP/ADP
比などの細胞内ヌ ク レオチ ド濃度や比の変化、必要な タンパ ク質 の遺伝子の転写 の高進 (上 記のホルモンは タンパ ク質合成 に必要な酵素 の転写を高め、 ミオシン重鎖 の遺伝子 の上流に結合する)。 タンパ ク質へ の翻訳などの高進などが生起する状態を指す。

8.筋 線維組成の意味 :収 縮 とそのエネルギ=と 酸素― 運動 と代謝 を結びつける機構 ―ヒ トの骨格筋は大 き く赤筋 (遅 筋 )と 自筋(速 筋)の 2種 類に分けられ る。 これは細胞 レ
ベルで 2種 類 の筋細胞すなわち遅筋線維 (細 胞 )、速筋線維 (細 胞 )が ある こ と、その どちらかが多 いか少ないか によって決 まる。数十年前 にこの細胞 (繊 維 )の 分類 の命名法は ヒ トの場 合Type I繊 維、Type Ⅱ(Type ⅡA,Type Ⅱd,Type Ⅱbなど)線 維 と決められ、今 日に至ってい る。 この分類法は タンパ ク質 ミオシンのアイソフォー
ム (分 子 レベルで同 じ機能をもつ タンパ ク質 であるがほんの少 しのアミノ酸の違いがあ り性質に違 いがでて くるものを言 う。た とえば速筋繊維を構成 しているfast myOsinにもTypenA Typend Typenbの 亜種がある例や これらの骨格筋 タイプの ミシオンとは別に、非骨格筋 ミオシン

(平 滑筋や 分 泌細 胞 の 分泌 の 際働 く ミオ シンな ど)等 の例がある)に よるものである。 (ミ オシンはアクチン との相互作用で形が変化し、その結果運動をひきお こす とい う分子 としてのかたちを実現
す る物質としての性質 とATPと 結合 し、そのATPを分解するとい う酵素の役割を同時に備 えている。この ミオシンの性質が骨格筋の最大の特徴である機械的エネルギーを化学的エネルギーに変化するとい う性質を具現 している)。 しかしもSO(slow oxidative)、
うひとつの分類法が存在 し、
F00 (fast oxidative glycolytic)、 FC(fastglycolytic)と もいい体育学・ スポーツ科学 の分野 では よく用 い られてい る。この分類法は主に ミオシンの ATP分 解活性 に依存す る。筋線
維 の収縮速度 の遅速 とい う機能 に加えて、その代謝 が酸化 、解糖 のいずれ が主であ るか とい う
代謝 の違 いを ミトコン ドリア内の酸化酵素活性を測定 して分類するとい う方法を加味 している。
筋 の収縮に対す るエネル ギー消費を単純に収縮特性 で比較す るときは、モー ター タンパ ク質 としてそのかた ちとATP分 解酵素 としての二面性 を備えてい る ミオシンとい うタンパ ク質 の性
質だけで議論 してい るのであるが、そ こに ミト
コン ドリアとい う細胞内小器官 とい うタンパ ク
質 とは階層の異なる存在が介入 して くるので、きわめて複雑な話 になるのであ る。 もっ とわる
いこ とには、 ミトコン ドリアともいわず、 コハ
ク酸脱水素酵素活性などの酸化酵素活性 を測定し、 ミオシンの収結特性 と組 ませるわけで、実際の分類には便利か もしれないが、それが意味してい るfII胞 、分子 レベルでの相互関係を説明しない限 り曖味 さが残 り甚だ釈然 としない まま
了解 しなければならない。初期 の学問には皆似た り寄 った りのケースが多 く含まれ てい ると思
われ るが、そのメカニズムが分か らない ままに現象か ら応用 方法を考案する例は数限 りないが、
健康科学、体育 スポーツ科学は この生命科学 のめざましい進展 の中で、既知の学問体系の中に含んでいる曖味 さをひ とつひ とつ明解な ものにしていかねばな らない。

細胞 分子 生 物学

地 球 生物 学 か ら身体運 動科 学 を再考 す る

9.ス トレス と運 動 :適 応の分子的基盤
前述 した よ うにSO/F00/FO型 の 筋線維組

究か らはじまったエ ア ロビクスの研究は、上記の ス トレス タンパ ク質であ り筋線維 タイプ依存
的 に発 現 してい る α B― ク リス タ リン を通 じて分子や細胞 レベルでのエ ア ロビクス (酸 素 によるATP再 合成系を用 いた ミオシン・アクチンの運動)の 研究 につながろ うとしている。遅筋 と速筋 の新たな側面が展開 しそ うである。

成 の分類方法は生命 の階層性を考えると非常に曖味で現象か ら導かれたものであるこ とが分かる。別 の見方 か らすれば、 この曖味 さの中に研究の芽を内包 してい るわけで、 ミオシンの ようなモー ター タンパ ク質 の出現 とミトコン ドリアの出現、あるいは細胞の中でその両者を仲介 し
てい る細胞 骨格 が両者を関連づ ける機構が存在
10.生 物 の可塑性 とは環境因子 (刺 激 )に 対 して適応 し保存 される性質の ことす ると考 えられ るし、さらに生物の進化を考 え・るとそれ らの出現 進化は平行 してすすんだ も
脳 の可塑性に対応 させて骨格筋の可塑性 と言のであるらしいことが予想 され る。そして個 々う言葉が筋 の研究の分野 で使われてい る。使用の全 く別に進化 した と思われ るDNA、 タンパ ク質、 性に肥大 し、廃用性に萎縮 し、その状 態 が持続
ミトコン ドリアなどが一つ のfII胞 の中で共存す
す るか らであろ う。国語辞典で 「可塑性」を調
べ ると、 「塑」はこねて、何かの形を作 る意。
るときの相互の軋礫を少 しで も解消 し潤滑油 とな ってい るのが ス トレス タンパ ク質であるように思われ る。生命 は秩序 の形成 つ ま り組織 化
organizationで ある。筆者が骨格筋 の萎結 の過程 で発見 した急激 に減少 しス トレッチ で増大 しダイナ ミックに変化するス トレス タンパ ク質・
αB― ク リス タリン (α ―ク リスタ リン B鎖 )の
FII胞 内機能を明らかにする研究過程は、 ス トレ
ス タンパ ク質が、運 動が引き起 こすあるいは個体 の運動時に生起する独立の多 くの現象 (個 々の況象は他の現象に とって ス トレスであることが多い)を 相互 に うまく関係 づ ける接着剤・ 緩和剤 の ような役割を持つ分子である ことを如実に語って くれた。分化 した生物 である人 のス ト
レスに対す る反応システムは個体 レベル (ス トレスの認知 と臓器間連絡)と 細胞 レベル (ス トレスによる分子の変性 とその防御)の 2段 階の階層性 を形成 している。組織 レベル にも存在す
るス トレス タンパ ク質は培養細胞系で発見 されたので、温度 とい う生化学実験方法 では切 つても切 り放 せ ない一つの物理的刺激 (ス トレス)に対す る細胞 の応答か ら発見 され、 もとは熱 ショックタンパ ク質(Heat shock protein:‖ SP)と呼ばれてい た。運動などの機械的刺激は、現在 の ところス トレス研究の分野では認知 されていない ようであるが、発生時 におけるHSPの 発現
は細胞の運動や細胞 の物理的歪みなどの物理的刺激が ス トレス タンパ ク質の発現を誘導 している可能性は大 きい。最大酸素摂取量の測定 の研「可塑剤」は合成樹脂 の原料 に混ぜ、練 って性状を整えるための もの。 「可塑性 」は粘 土、プラシチ ックなどのよ うに、強い力が加わ った時に、形が変わ つてしまい、その ままもとに戻 らない性質のこと。 ̀脳 の可塑性 'す なわち神経のシナ ップスができると記憶 として保存 される性質に対 して使われた。これはそのままの意味でよい。 この場合、 「可塑剤」は、ホルモンほかの液性物質だった り、外界からの刺激 (イ ンパル ス)だ った りする。た とえば 自転車に乗ることを覚えると数十年乗 らな くても乗れ るような例は これに当たる。それでは骨格筋の可塑性とは何か ?あ るいは骨格筋 の可塑性 とい う言葉の 使 い 方 は正 しいの か 。 1980年 に ドイ ツでMuscle Plasticity"と い うシンポジ ウムが開かれ、その ままの タイ トルで刊行 されている。骨格筋 の肥大、萎縮 などは、骨格筋に力を恒常的 に加えた ときに形が変わるので、骨格筋は可塑性があるととりあえず いえるが、 プ ラス
チ ックと違 って、刺激を取 り除いた時に時間はかかるが、ほぼ もとに戻る こ とが多い (lG下での恒常性 レベル にもどる)。 正確には戻 らな
い ?と すると「可塑性」 とい う言葉を使 って も
良いか も知れない。しか し正確には刺激 レベルに応 じて形を維持 してい ると考えると国語辞書にあるもの と同義 ではない。 もっと詳細に、生物学的にみてゆくと生物に可塑性を定義す ることが無理か もしれない。それを生 じさせた刺激

16

跡 見

を取 り除 くとほぼ元に戻るので可塑性 とい うよ
りも 「適応」 の方 が正 しいのであろ う。あえて使 うな ら刺激を加えてい る限 り「塑」 の性質をとどめてい る点に注 目して可塑性があ るといって も良い と考えてはど うであろ うか。こ う考 えると骨格筋、骨、心臓等 の臓器 では加わる物理的刺激 の多少あるいは甲状腺ホルモン、 ステ ロ
イ ドホルモン、神経支配はその組織の形 態お よび性質 (筋 線稚 タイプなど)を 変化 させ うる。
もっ と広 く考えれば生物 の発生、分化、つ ま り
形態形成 の過程は後戻 り出来ない可塑性 の過程であるともいえるのではないであろ うか。

11.筋 における刺激の伝達/神 経支配/筋線維タイ プ成熟 した骨格筋の活動は主に神経を介 して調節 されてい る。神経 か らのインパル スにより骨格筋の収縮がお こる機構は詳細 に研究 されてきたが、神経を介 した刺激がいかなる生化学機構
により遺伝子発現、タンパ ク質合成、な どを調節 しているかは明らかではない。 ここではほ とんど触れなかった筋線維組成 と神経支配の問題
も細胞生物学的に検討する ことが出来るほどに研究の進展 がない と思われ る。 ここでは神経支配 の発達以前に筋線維 タイプが存在す ることを述べ るに とどめることにする。すなわち発生 の過程 において も神経に影響を受け る以前 に筋細胞 レベルで遅筋細胞、速筋細胞が存在す る。遅筋細胞、速筋細胞は骨格筋 の基本的特性 である
こ とが分かる。 さらに神経刺激、筋収縮、ス ト
レッチなどによる筋の活動がどの ような機構 で遺伝子発現につ ながるかは明解 に されていない。
前述 した よ うに骨格筋にお いては筋収縮に伴 う
力学的刺激がダイレク トに遺伝子発現を 弓￨き 起
こす可能性を考えると収縮 の違 い (張 力、頻度など)が 核 での核骨格・ DNA相 互関係 に影響を及ぼ しその差を うみだ してい るのか もしれな
い。少な くとも仲介 している化学反応に リン酸
化 tカ ルシ ウムが関連 しているだ ろ うとい う予
想はつ くが今後 の研究 に期待するところである。
新制大学制度における体育実技 の発祥 の地である東京大学教養学部保健体育科は、東京大学

大学院総合文化研究科広域科学専攻生命環境科
学系のなかに改組 された。運動適応科学、認知行動科学の両講座において、生命体 の一つ としての人 の身体 の仕組みを、 より積極的にかかわり実現 させる個体 の運動 (身 体運動)を 介 して解明 して ゆくこ とにより、環境認知の しくみ、
環境 への適応 の仕組 の本質が垣間見えて くるもの と考えられ る。おそらくこのよ うな生物学的手法お よび論理か ら、筋の収縮方法の違 いや強度、頻度の違 いなどによリトレー ニング効果が質的量的に異なるのかなどの応用的側面をも解明 されるであろ う。生理学、運 動生理学 の言葉を生化学、細胞生理学 の言葉に置き換える研究が必要なそしてそれが可能な時代がきている。
自己の身体・意識を介 してDNAか ら宇宙までの地
球環境を色濃 く反映 している生命体 の原理 に肉薄できる領域 の発展を切に願 うものである。

細 胞 分 子生物 学

地 球 生 物学 か ら身体 運 動科 学 を再考 す る

因
要
る
え
一
を 支
構 に
機 的
縮 接
収 直

因
要
る
え
を 支
構 に
機 的
縮 接
収 間

←―― 機 能 の 一 元 イ
ヒー

機能的仕事 の遂行

機械的仕事、熱発生

彊 力発揮

張 力発 揮 (収 縮 )(化 学 E― 機械 E)

シナ プ ス 、 筋 腱 結 合筋 毛細 血 管結 合

信号 の 交換、 受 けわ た線 維 芽 細 胞 ,血 管 内皮 細 胞
マ ク ロ フ アー ジ,ニ ュー ロ ン

筋 細 胞 (筋 線 維 )筋 原線 維
ク ロ ロ

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細胞 内構造(オ ル ガネ ラ (多 分 子構造 体← ――――一一 ― 要素 の 多様性))→

運動の成 立にみ られる階層性。骨格筋の収縮による張力発揮は骨を介 して個体 の身体運動を実現す る。 一方、筋細胞 (筋 線維 )は 数多 くの分子、オルガネ ラによって構成 され、細胞 一個で独立の生命活動を営んでいるが、張力発揮 とい う機能 のためにその構造まで も (と くに収縮機構は)一 元化 しているように見える。 ともすると見えな くなる細胞を意識 して骨格筋を中心にして考えられる身体運動の階層性を表わ した (跡 見)。

跡 見

◎

◎

＞
ａ

ヽ―
〆′
￨

lasma flenbrane

b)

アタチン
フイラメント
ヽ

幸

、
拳

ミオシン
フィラメント
l

d)

ー

一
ツ

筋小セ体

=す

デスミン ピメンチン
シネミン●とから●0

図2

11‐アタチニン‐アクチン}〔

骨格筋の収縮機構の階層性 (A)(Huxley,H.1658)と 収縮装置の保守構造 (B)(Lazarides
細いフィラメン トと太いフ ィラメン トか ら筋原線維 が形成 され、横紋構造を持つ筋原線維が東にな り筋線維 を形成する。骨格筋 の収縮装置は筋線維 により形成 される。 (B)骨格筋 の筋線維は細胞骨格を中,さ とした様 々な タンパ ク質で支えられ ている。 これ らの タンパ
ク質は筋の収縮 装置や小胞体、 T管 系の配夕 形態維持に重要な役割を果 たして い る。 (C)核 とサテライ トセル を含んだ骨格筋細胞 (Mazanetと Franzini Arnstrong)。 サテ ライ トセル を示す ために電子頭微鏡観察か らモデル化 して筋細胞 の一部を描 いたものである。サ テライ トセ
ル は筋線維内鞘 (endomysium)や 基底膜 (basal lamina)の 内側、筋線維 の細胞膜 (原 形質膜
plasma membraneあ るいはplasma lemma)の 外側 に存在す る。核は細胞 膜 の内側 に存在す る。
(D)培 養骨格筋細胞にみ られ る筋形成 (跡 見)。 H日 鶏胚胸筋を摘出 し、 コラーゲ ン コー トしたデ ィッシュの たに培養 した。1‐ 2日 後、紡維形をした筋芽細胞 (a)は 縦 に並び始める (b)。
3‑5日 後、それ らの筋芽細胞は融合 し、一本 の長い筋管細胞 となる (c)。 細胞 の核は中央部に存在 し ―列に並ぶ。 714日 後、横紋が形成 され (d)、 筋管細胞は 自発収縮を始める。 さらに収縮 の頻度が増えると培養デ ィッシュの底面か ら離れ、核 も中央部か ら細胞膜直 下に移動する (e)。
et al.,1985)。

J、

細胞分子生物学

地球生物学 か ら身体運動科学 を再考す る⑥

筋 形成 に 関す る遺伝 子群 の 支 配関係⑤∪
筋形成遺伝子 の 相互 的調 節⑥
FGF receptor0
図3

筋 形成 の抑 制調 節筋決定遺伝 子myogenic factor,(lyOD,Mif5,myogenin,)の 筋発生分化時における発現調
節 と相互関係。 a,中 胚葉性 の幹細胞はMyoDと Mif5の 発現により将 来筋細胞 となることが決定された筋芽細胞 となる。両者はmyogeninの 遺伝子発現を誘導 し、myOgeninは 多 くの筋構造 タン
パ ク質の遺伝子群を発現 させ る。 b,MyoD,Mif5及 びmyogeninは それぞれ 自らの遺伝子 の上流にエ ンハ ンサー として結 合 し自らの発現の調節を増幅する。またこれ らの 3種 類 の筋決定遺伝
子群は相互にその発現を増幅する。筋決定遺伝子 により発現誘導 され る筋の構造遺伝子の発現もmyogeninの 発現を増幅する。 C,筋 形成 の抑制因子である線維芽細胞成長因子 (bFGF)受 容体、c fos原 癌遺伝子は ともに リン酸化を介 して筋決定遺伝子myogenic factorの 結合を抑制する。筋決定遺伝子myOgenic factorは 通常ダイマーで一定のDNAの 配列に結合 して遺伝子発現を増幅す るが、ldも 同 じ配列を認識 し結合する ことによ り、筋決定遺伝子のダイマー化を妨害 し、
それ らの発現を抑制する。皿 F4は 成長後 の遺伝子発現にかかわる。