基礎老化研究 47（1）; 32－34, 2023

【奨励賞受賞者研究トピックス】

骨格筋特異的 SOD2 欠損はミトコンドリア機能不全に伴う運動不耐を引き起こす1

澁谷 修一 1、渡辺 憲史 1、坂本 一晃 2、野尻 英俊 2、清水 孝彦 1
国立研究開発法人長寿医療研究センター ジェロサイエンス研究センター
老化ストレス応答研究プロジェクトチーム
2
順天堂大学医学部 整形外科学

キーワード： skeletal muscle, reactive oxygen species(ROS), superoxide dismutase(SOD),
mitochondria
１．はじめに体組織で詳細な解析を行うために、Cre-loxp システムに強い運動は骨格筋の筋力と張力の低下により筋疲労をよる組織特異的欠損マウスを作出した。その結果、心臓引き起こし、運動パフォーマンスを低下させる［1］。活性特異的 SOD2 欠損マウスは致死性の拡張型心筋症を発酸素種（ROS）は筋疲労の原因ともなることが報告さ症し、SOD2 の心臓保護作用を明らかにした［9］。本稿でれている［2］。ROS は生体を構成するタンパク質、脂質、は、骨格筋特異的 SOD2 欠損マウスの骨格筋病態解析

核酸を酸化することにより、組織の機能不全を引き起こから得られた骨格筋機能における ROS の関連についてす。カルボニル化タンパク質、過酸化脂質、酸化核酸なの新たな知見を紹介する。

どの酸化的損傷マーカーは老化やさまざまな疾患に関連しており、骨格筋を含む組織の病理と ROS が強い相関

２．骨格筋恒常性維持における SOD2 の寄与関係にあることを示唆している。実際、老化したラット

骨格筋機能における酸化ストレスの関連を明らかにすの骨格筋は酸化損傷マーカーが蓄積する［3］。高齢者骨格るために骨格筋特異的 SOD2 欠損マウスを作出し、骨筋由来ミトコンドリアもミトコンドリア DNA の減少を格筋病態を解析した。欠損マウスは正常に生まれ、見た伴う呼吸機能障害や酸化型核酸マーカー 8-OHdG の増加

目の異常もなく発育した。骨格筋重量も正常マウスと差が見られる［4］。また骨格筋における ROS の蓄積が進行は認められなかった［10］。しかし摘出した骨格筋組織を性の骨格筋の減少と変性を引き起こす筋ジストロフィー

詳細に解析すると、筋再生マーカーである中心核が増加［5］の病因にも関与すると報告されている 。これらの報告

し（ 図 １A）、 血 中 CPK（creatine phosphokinase） のは、ROS の増加によって引き起こされるレドックスの有意な増加も示した。また骨格筋由来ミトコンドリア内不均衡が筋肉の機能低下を誘発することを示している。の ROS 量を調べたところ、正常マウスは電子伝達系の我々生物は ROS から組織および細胞を保護するため基質であるコハク酸存在下でも ROS 量は増加せず、ミに様々な抗酸化システムを有する。SOD はスーパーオ

トコンドリア内の酸化還元バランスの維持が示された

キシドを過酸化水素に変換する抗酸化酵素であり、過酸（図１B）。対照的に、欠損マウスは正常マウスと比較し化水素はさらにカタラーゼ酵素および GPx 酵素によりて通常状態でもミトコンドリア ROS が増加傾向を示し、水と O2 に変換され無毒化される。SOD ファミリーはそ

コハク酸存在下では有意にミトコンドリア ROS が増加

れぞれ局在が異なり、細胞質局在型 SOD1、ミトコンドした（図１B）。これらの結果は、SOD2 欠損はエネルギーリア局在型 SOD2、細胞外局在型 SOD3 の３種類が存在産生時のミトコンドリア酸化還元バランス破綻をもたらする。SOD2 はミトコンドリアを酸化障害から保護するすことを示す。

ことによりミトコンドリア機能維持に寄与する。SOD1

さらに欠損マウスは骨格筋組織において酸化ダメー

欠損マウス［6］、SOD3 欠損マウス［7］はいずれも重篤な表

ジマーカー 8-OHdG 量も増加し（図１C）、酸化ストレ現型を示さない。対照的に SOD2 欠損マウスは拡張型スに起因する筋障害を呈していた。骨格筋特異的 SOD2心筋症、神経変性、および脂肪肝を伴う新生児致死とな欠損マウスの運動機能を調べるために、トレッドミルにり［8］、抗酸化酵素の中でも重要な機能が想定される。成よる強制走行時間を測定した。興味深いことに欠損マウスは走行時間が著しく低下し、顕著な運動不耐を示した

連絡先：澁谷〒 474-8511修一
愛知県大府市森岡町 7-430

TEL：0562-44-5651 ext. 6101

（図１D）。さらに骨格筋中 ATP 量も顕著に低下していた（図１E）。これらの結果から、SOD2 欠損は骨格筋組織の酸化障害を引き起こしエネルギー産生不足による運動不耐を引き起こすことが明らかとなった。

E-mail：s-shibuya@ncgg.go.jp－ 32 －A

B

KO

KO

*180
骨格筋ミトコンドリアのスーパーオキシド量 (%)

WT

WT160140120100806040200C0.10WTKO*
140140120120

筋ATP量 (%)

0.2

トレッドミル走行時間 (分)8-OHdG/105dG

0.3

図１ED
*100

コハク酸+

*100806040208060402000WT KOWTKO

骨格筋特異的 SOD2 欠損マウスは骨格筋酸化ダメージ蓄積と筋 ATP 枯渇に伴う運動不耐を示す。
(A) 骨格筋特異的 SOD2 欠損マウス骨格筋組織で再生マーカーである中心核（矢印）が散見された。（B)
欠損マウス骨格筋由来ミトコンドリアは電子伝達系の基質であるコハク酸存在下でスーパーオキシド産生量が増加し、エネルギー産生時のミトコンドリア酸化還元バランス破綻を示した。
（C) 欠損マウス骨格筋組織
では酸化ダメージマーカー 8-OHdG 量が増加していた。欠損マウスは強制走行時間（D) と筋 ATP 量（E)の顕著な低下を示した。Error Bars: 平均値±標準誤差。*P < 0.05（t -test）。

A

B複合体 II複合体 IVPAS

KO

KO

WT

WT複合体 I

図２-骨格筋特異的 SOD2 欠損マウスはミトコンドリア呼吸酵素活性低下を示す。
（A) ミトコンドリア呼吸鎖複合体の活性染色像。ミトコンドリア呼吸活性は、欠損マウス骨格筋で呼吸鎖複合体 I（NADH 酸化還元酵素）と II（SDH）の染色性が低下し、顕著な活性低下を示した。一方、欠損マウ
ス骨格筋の呼吸鎖複合体 IV の活性は正常に保たれていた。
（B)PAS 染色により、欠損マウスは骨格筋中のグリコーゲン蓄積が増加していた。

３． SOD2 欠損により誘導される骨格筋ミトコンドリ
ア機能不全

ア呼吸鎖複合体 IV の活性は正常に維持されていたが、呼吸鎖複合体 I（NADH 酸化還元酵素）と呼吸鎖複合体

骨格筋特異的 SOD2 欠損マウスは顕著な ATP 量低下

II（SDH）は染色性が低下し顕著な活性低下を示した（図を示したため、SOD2 欠損によるミトコンドリア機能へ２A）。この結果は、心臓および脳組織で SOD2 を欠損の影響を評価した。SOD2 欠損骨格筋のミトコンドリアさせた場合と共通の変化であった［11, 12］。この結果から、呼吸活性を活性染色法により調べた結果、ミトコンドリ

SOD2 欠損骨格筋は酸化障害により誘導されるミトコン－ 33 －

ドリア機能低下を起因として運動不耐を引き起こすことが示された。また、SOD2 欠損は骨格筋 ATP 量の劇的な減少を引き起こしたため付加的要因の関与が示唆される。グリコーゲンおよびグルコースを利用する解糖系も骨格筋における主要な ATP 産生経路である。実際に、欠損マウス骨格筋ではグリコーゲンが顕著に蓄積し、グリコーゲン代謝異常が示唆される（図２B）。骨格筋における SOD2 欠損はミトコンドリア機能低下に加えて、グリコーゲンを起点とした解糖系異常も引き起こし、相加的作用で ATP 産生能が低下し顕著な運動不耐をもたらす可能性が予想される。
４．運動不耐モデルマウスとしての応用著しく強制走行能が低下する骨格筋特異的 SOD2 欠損マウスは運動不耐モデルマウスとして骨格筋機能に対する抗酸化剤などの機能性素材の作用評価が可能である。SOD/ カタラーゼ模倣剤である EUK-8 を欠損マウスに単回投与すると、骨格筋 ATP 量増加を伴う有意な強制走行時間の延長を示した［10］。その他、複数のポリフェノール類にも同様の作用を認めている。本欠損マウスは骨格筋酸化ストレスやミトコンドリアを標的とした機能性素材のスクリーニング試験に有用なモデルであり、ロコモティブシンドロームやフレイル治療に寄与する素材開発への貢献が期待される。
５．おわりに超高齢社会を迎えた我が国では健康長寿の実現が喫緊の課題となっている。加齢に伴う骨格筋の衰えは転倒、身体機能障害、要介護状態、フレイルのリスクになり、介護予防の観点からも重要視されている。本モデルマウスは加齢や疾患により引き起こされる骨格筋病態の分子機序の解明に大きく貢献し、社会的還元性が大きく期待できる。
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