ミオスタチン

ミオスタチンの変異は、生物が生成できる筋肉量に影響を与えるだけでなく、種によって他の表現型にもさまざまな影響を及ぼします。^{[ 22 ]}例えば、ミオスタチン生成を阻害する変異を持つベルジアンブルー牛は、筋肉量が劇的に増加しますが、難産も引き起こします。^{[ 22 ]}ヒトやウィペット犬など、ミオスタチン欠損変異を持つ他の種では、難産は起こりません。^{[ 11 ]}

1997年にミオスタチンをコードする遺伝子が発見された後、いくつかの研究室がベルジアンブルーとピエモンテという2つの牛の品種でミオスタチン遺伝子のヌクレオチド配列をクローニングして確立しました。彼らはミオスタチン遺伝子に突然変異（各品種でさまざまな突然変異）を発見し、それが何らかの形で機能的なミオスタチンの欠如につながりました。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 23 ]}ミオスタチン遺伝子に損傷を受けたマウスとは異なり、これらの牛の品種では、筋肉細胞は大きくなるのではなく増殖します。人々はこれらの牛の品種を「二重筋肉」と表現しますが、すべての筋肉の合計増加は40%を超えることはありません。^{[ 15 ] [ 24 ] [ 25 ]}

ミオスタチンを欠く動物や、ミオスタチンとその受容体との結合を阻害するフォリスタチンなどの物質で処理された動物は、筋肉が著しく大きくなります。したがって、ミオスタチンの減少は畜産業に潜在的に有益であり、ミオスタチンレベルが20%減少するだけでも筋肉の発達に大きな影響を与える可能性があります。^{[ 26 ]}

しかし、ミオスタチン欠損症のホモ接合体として開発された動物品種は、異常に重くかさばる子孫のために繁殖上の問題を抱えており、優れた収量を得るためには特別なケアとより高価な飼料が必要となる。これはミオスタチン欠損品種の経済性に悪影響を及ぼし、通常は明らかな利点を提供しない。肥大肉（例えばピエモンテ牛）は、その高い嗜好性と柔らかさから専門市場で一定の地位を占めているが、少なくとも純血のミオスタチン欠損系統では、費用と（特に牛の場合）獣医による監督の必要性により、大量市場では不利な立場に置かれている。^{[ 27 ]}

ウィペット犬では、ミオスタチン遺伝子に2塩基対の欠失を伴う変異が生じることがあり、その結果、切断された、おそらく不活性なミオスタチンタンパク質が生成される。

ホモ接合性欠失を持つ動物は、頭が広く、上顎前突が顕著で、脚が短く、尾が太いという、通常とは異なる体型をしており、繁殖コミュニティでは「ブルドッグ・ウィペット」と呼ばれています。筋肉質ではありますが、他のウィペットに比べて走る能力は劣ります。しかし、この変異に関してヘテロ接合性のウィペットは、トップクラスのレースで著しく多く見られました。^{[ 17 ]} 2015年、科学者はCRISPR/Cas9を使用して、「ブルドッグ・ウィペット」に見られるのと同じホモ接合性欠失をビーグル犬に導入しました。^{[ 28 ] [ 29 ]}

ミオスタチンを大量に産生するマウスは、正常なマウスと比較して骨格筋と体脂肪が著しく減少する。^{[ 10 ]}一方、ミオスタチン産生量が少ないマウスは、筋肉量が多く、脂肪組織が少なく、野生型マウスの2倍の大きさであった。^{[ 10 ]}

2016年、CRISPR/Cas9システムを用いて、ミオスタチン遺伝子の機能的なコピーを持たないウサギとヤギを遺伝子操作した。^{[ 30 ]} どちらの場合も、結果として得られた動物は著しく筋肉質であった。しかし、ミオスタチンを持たないウサギは、舌の肥大、死産率の上昇、寿命の短縮も示した。

韓国と中国のチームは、食肉市場向けの安価な品種を目指し、牛と同様に「二重筋肉」の豚を遺伝子操作した。^{[ 31 ]}他の哺乳類と同様に、過剰な大きさによる出産困難などの健康上の問題が発生している。^{[ 31 ]}

ミオスタチンを欠損させたマダイは、同じ量の餌で自然の平均サイズの1.2倍に成長し、日本のスタートアップ企業によって食用として販売されている。^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

ミオスタチン変異体の変異を検出する技術が開発されました。^{[ 35 ]}機能的なミオスタチンの産生を減少させる変異は、筋肉組織の過剰増殖につながります。ミオスタチン関連筋肥大は、不完全な常染色体優性遺伝パターンを示します。各細胞でMSTN遺伝子の両方のコピーに変異を持つ人（ホモ接合体）は、筋肉量と筋力が著しく増加します。各細胞でMSTN遺伝子の1つのコピーに変異を持つ人（ヘテロ接合体）は、筋肉量が増加しますが、その程度は小さくなります。

2004年、ドイツの少年がミオスタチン産生遺伝子の両方のコピーに突然変異があると診断され、同年代の子供たちよりもかなり強いことが判明した。彼の母親は、その遺伝子の片方のコピーに突然変異を持っている。^{[ 18 ] [ 36 ] [ 37 ]}

2005年に生まれたアメリカ人の男の子は、臨床的には似たような症状と診断されたが、原因はやや異なっていた。^{[ 38 ]}彼の体は正常なレベルの機能性ミオスタチンを産生するが、彼は同年代のほとんどの子供よりも強くて筋肉質であるため、ミオスタチン受容体の欠陥により、彼の筋肉細胞がミオスタチンに正常に反応できないと考えられている。彼はテレビ番組「世界最強の幼児」に出演した。^{[ 39 ]}

ミオスタチンとミオスタチン遺伝子に関するさらなる研究は、筋ジストロフィーの治療法につながる可能性がある。^{[ 13 ] [ 40 ]}そのアイデアは、ミオスタチンを阻害する物質を導入することである。ミオスタチンに特異的なモノクローナル抗体は、マウス^{[ 41 ]とサル[ 26 ]}の筋肉量を増加させる。

細胞に通常付着しミオスタチンに結合する分子である可溶性アクチビンIIB型受容体を正常マウスに2週間投与すると、筋肉量が著しく増加する（最大60%）。 ^{[ 42 ]}ミオスタチンが可溶性アクチビン受容体に結合すると、細胞結合型受容体との相互作用が妨げられると考えられている。2020年9月、科学者らは、2010年代初頭にACE-031の形でヒトで予備試験されたアクチビンA/ミオスタチン阻害剤ACVR2Bを介して、シグナル伝達タンパク質であるミオスタチンとアクチビンAであるアクチビン2型受容体を抑制すると、マウスの筋肉と骨の両方の損失を防ぐことができると報告した。 ^{[ 43 ] [ 44 ]}マウスは国際宇宙ステーションに送られ、微小重力下でミオスタチン遺伝子の標的欠失のための遺伝子工学により、野生型の約2倍の筋肉重量をほぼ維持することができた。^{[ 45 ] [ 46 ]}早老症マウスに早老の兆候が現れる前に可溶性アクチビン受容体IIB型を 投与すると、筋肉量の減少を防ぎ、他の臓器の加齢関連症状を遅らせることができるようです。^{[ 47 ]}

筋ジストロフィーの長期治療にミオスタチン阻害剤を使用することが有益かどうかは依然として不明である。筋幹細胞の枯渇は、後に病状を悪化させる可能性があるからである。2012年現在ヒト用のミオスタチン阻害薬は市販されていません。ミオスタチンを中和するように遺伝子操作された抗体であるスタムルマブは、製薬会社ワイエスによって開発されていましたが^{[ 48 ]}、現在は開発が中止されています^{[ 49 ]} 。そのような薬を手に入れたいと願う一部のアスリートは、偽の「ミオスタチンブロッカー」が販売されているインターネットに目を向けています^{[ 26 ] 。}

抵抗運動とクレアチン補給はミオスタチンレベルのより大きな低下につながる。^{[ 50 ]}

コレステロール結合siRNA遺伝子ノックダウンを用いることで、ミオスタチンレベルを一時的に低下させることができる。^{[ 51 ]}

ミオスタチン阻害は筋肥大につながる。ミオスタチン阻害剤は運動能力を向上させることができるため、スポーツの分野でこれらの阻害剤が乱用される可能性があるという懸念がある。^{[ 52 ]}しかし、マウスでの研究では、ミオスタチン阻害は個々の筋線維の強度を直接増加させるわけではないことが示唆されている。^{[ 53 ]}ミオスタチン阻害剤は、世界アンチ・ドーピング機構（WADA）によって明確に禁止されている。^{[ 54 ]} 2012年8月12日のNPRのインタビューで、カーロン・コルカーは「ミオスタチン阻害剤が登場すれば、乱用されるだろう。私には疑いの余地はない」と述べた。^{[ 55 ]}

身体活動が活発な人ではミオスタチン発現が低下し、肥満は血漿中のミオスタチン濃度の上昇と関連している。^{[ 10 ]}

ミオスタチンは筋肉の成長を阻害する能力があるため、骨への負荷を減少させることで間接的に骨形成を阻害することができます。^{[ 56 ] [ 57 ]また、骨形成[ 58 ]}および分解^{[ 59 ] [ 57 ]}に直接的なシグナル効果があります。 ミオスタチンのノックダウンは、関節リウマチをモデル化したマウスにおいて、破骨細胞（骨組織の分解に関与する多核細胞）の形成を減少させることが示されています。^{[ 59 ]}関節リウマチは自己免疫疾患であり、他の影響の中でも、罹患関節の骨組織の分解を引き起こします。しかし、ミオスタチンはマクロファージから成熟した破骨細胞の形成に単独で十分であるとは示されておらず、促進因子にすぎないことが示されています。

骨折部位周辺ではミオスタチン発現が増加します。骨折部位でのミオスタチン抑制は仮骨および骨全体のサイズの増加につながり、骨形成に対するミオスタチンの阻害効果をさらに裏付けています。2015年のBerno Dankbarらによる1つの研究^{[ 59 ]}では、ミオスタチン欠乏により骨折部位周辺の炎症が著しく減少することが分かりました。ミオスタチンは破骨細胞マクロファージ上の受容体に結合してシグナル伝達カスケードを引き起こすことにより、破骨細胞形成に影響を与えます。下流のシグナル伝達カスケードは、RANKL依存性インテグリンαvβ3、DC-STAMP、カルシトニン受容体、およびNFATc1（R-Smad2およびALK4またはALK5とともにシグナル伝達カスケードを開始する初期細胞内複合体の一部）の発現を増強します。^{[ 59 ] [ 57 ]}

骨組織の劣化を特徴とする別の疾患である骨粗鬆症と、加齢に伴う筋肉量と質の低下であるサルコペニアとの関連性も発見されている。^{[ 57 ]}この関連性が直接的な調節の結果なのか、筋肉量を介した二次的な影響の結果なのかは不明である。

マウスにおいて、出生前環境におけるミオスタチンの濃度と子孫の骨の強度との間に、骨形成不全症（脆骨症）の影響を部分的に打ち消す関連性が発見された。^{[ 60 ]}骨形成不全症は、異常なI型コラーゲンの産生を引き起こす突然変異によるものである。ミオスタチンのC末端領域をコードする配列をネオマイシンカセットに置き換えることで、ミオスタチンに欠陥のあるマウスが作製され、タンパク質が機能しなくなった。異常なI型コラーゲンを持つマウスとノックアウトミオスタチンを持つマウスを交配させたところ、子孫の大腿骨は、他の骨形成不全症のマウスと比較して、「ねじりの極限強度が15%増加し、引張強度が29%増加し、破壊エネルギーが24%増加」しており、ミオスタチンの減少が骨の強度と形成にプラスの効果をもたらすことが示された。^{[ 61 ]}

ミオスタチンは心筋細胞では非常に低いレベルで発現している。^{[ 62 ] [ 63 ]}胎児マウスと成体マウスの両方の心筋細胞でその存在が確認されているが、 ^{[ 64 ]}その生理機能は不明である。^{[ 63 ]}しかし、胎児心臓ミオスタチンは初期の心臓発生に役割を果たしている可能性があると示唆されている。^{[ 64 ]}

ミオスタチンは、潜在型TGF-β結合タンパク質3（LTBP3）によって不活性に保たれている前駆体タンパク質であるプロミオスタチンとして産生される。^{[ 62 ]}病理的な心臓ストレスは、フリンコンバターゼによるN末端切断を促進し、生物学的に活性なC末端断片を生成する。成熟したミオスタチンは、BMP-1およびトロイドメタロプロテアーゼによるタンパク質分解切断によって潜在複合体から分離される。^{[ 62 ]}遊離ミオスタチンは、その受容体であるActRIIBに結合し、 SMAD2/3のリン酸化を増加させることができる。^{[ 62 ]}後者はSMAD4とのヘテロマー複合体を生成し、ミオスタチンを心筋細胞核に移行させて転写因子活性を調節する。^{[ 65 ]}筋肉クレアチンキナーゼプロモーターを操作することでミオスタチン発現を調節できるが、これまでのところ雄マウスでのみ観察されている。^{[ 62 ] [ 63 ]}

ミオスタチンは、細胞周期の進行を操作することによって心筋細胞の増殖と分化を阻害する可能性がある。 ^{[ 64 ]}この議論は、増殖中の胎児心筋細胞ではミオスタチンmRNAの発現が低いという事実によって裏付けられている。^{[ 62 ] [ 65 ]} in vitro研究では、ミオスタチンがSMAD2リン酸化を促進して心筋細胞の増殖を阻害することが示されている。さらに、ミオスタチンは、サイクリン依存性キナーゼ複合体2（CDK2）のレベルを低下させ、 p21レベルを増加させることによって、細胞周期のG1期からS期への移行を直接的に阻止することが示されている。^{[ 65 ]}

心筋細胞の成長は、通常心筋細胞の肥大を促進するタンパク質キナーゼp38およびセリン/スレオニンタンパク質キナーゼAktのミオスタチン制御阻害によっても阻害される可能性がある。^{[ 66 ]}しかし、ミオスタチン活性の増加は、心臓ミオスタチンが全身の筋萎縮を誘発する圧力ストレスモデルなどの特定の刺激に応答してのみ起こる。^{[ 62 ] [ 66 ] [ 62 ] [ 64 ]}

生理学的には、心筋から血清中に分泌される心筋ミオスタチンの量はごくわずかであり、筋肉の成長への影響は限定的である。^{[ 63 ]}しかし、心筋ミオスタチンの増加は血清濃度を上昇させ、骨格筋萎縮を引き起こす可能性がある。^{[ 62 ] [ 63 ]}心臓ストレスを増大させ、心不全を促進する病理学的状態は、心臓内の心筋ミオスタチンmRNAおよびタンパク質レベルの上昇を誘発する可能性がある。^{[ 62 ] [ 63 ]}虚血性または拡張型心筋症では、左心室内でミオスタチンmRNAレベルの上昇が検出されている。^{[ 62 ] [ 67 ]}

TGF-βファミリーの一員として、ミオスタチンは心筋梗塞後の回復に役割を果たしている可能性がある。^{[ 63 ] [ 64 ]}心臓の肥大は、さらなる心筋細胞の成長を制限しようとする負のフィードバック機構としてミオスタチンの増加を誘発するという仮説が立てられている。 ^{[ 68 ] [ 69 ]}このプロセスには、マイトジェン活性化プロテインキナーゼと、ミオスタチン遺伝子のプロモーター領域内のMEF2転写因子の結合が含まれる。慢性心不全中のミオスタチンレベルの上昇は、心臓悪液質を引き起こすことが示されている。^{[ 62 ] [ 63 ] [ 70 ]} JA-16抗体による心臓ミオスタチンの全身阻害は、既存の心不全を有する実験モデルにおいて全体的な筋肉重量を維持する。^{[ 63 ]}

ミオスタチンは心臓内の興奮収縮連関も変化させる。 ^{[ 71 ]}心臓ミオスタチンの減少は心臓の偏心性肥大を誘発し、EC連関中のSRからのCa2 ^{+放出を促進することでβアドレナリン刺激に対する感受性を高める。また、ミオスタチンノックアウトマウスでは}ホスホランバンリン酸化が増加し、収縮期中の細胞質へのCa2 ⁺放出が増加する。^{[ 62 ]}したがって、心臓ミオスタチンを最小限に抑えることで心拍出量を改善できる可能性がある。^{[ 71 ]}