分子細胞機能学研究室

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目次

このページでは、私たちの論文 "Identification of the myogenetic oligodeoxynucleotides (myoDNs) that promote differentiation of skeletal muscle myoblasts by targeting nucleolin (Shinji, Front Cell Dev Biol, 2021)" の内容を紹介します。

• ODN とは / What's ODN?
• 筋分化を誘導する ODN / ODNs promoting myogenic differentiation
• myoDN の筋特異的作用 / Muscle-specific action of myoDN
• myoDN の構造活性相関 / Structure-activity relationship of myoDN
• myoDN の応用展開 / Application of myoDN
• 参考文献 / References

ODN とは / What's ODN?

オリゴ DNA (ODN) は、20塩基前後の短い一本鎖 DNA です。人工的に合成された ODN は DNA アプタマーとも呼ばれ、標的分子と結合することで様々な生理機能を発揮します。アプタマーとは別に、自然界にも ODN は存在します。腸内に生息する微生物のゲノム DNA に由来する ODN は、免疫系の働きを調節することが知られています (Hall 2008)。しかし、非免疫系の細胞や組織に作用する 微生物 ODN の報告はありませんでした。

Oligodeoxynucleotides (ODNs) are short (around 20 bases) single-stranded DNA molecules. Artificial and synthesized ODNs, called DNA aptamers, specifically interact with their targets to exert various physiological functions. In addition to aptemers, there are numerous natural ODNs. The ODNs derived from genomic DNAs of enteric bacteria regulate immune system (Hall 2008). However, it has not been reported the microbial ODNs which act on non-immune cells or tissues.

筋分化を促進する ODN / ODNs promoting myogenic differentiation

私たちは、マウス筋芽細胞のスクリーニング系を用いて、筋分化に作用する乳酸菌 ODN の探索を行いました。その結果、ヒト腸内に存在し、ヨーグルトにも利用される乳酸菌 Lactobacillus rhamnosus GG のゲノム配列に由来する ODN が、筋芽細胞の分化を強力に促進することを見出しました。私たちは、これら一連の ODN を、筋形成型オリゴ DNA「myoDN」と名付けました (Shinji 2021)。

myoDN は、スクリーニングに用いたマウス筋芽細胞だけではなく、ヒトやニワトリの筋芽細胞の分化も促進しました。このことから、myoDN は様々な動物に適用可能であり、ヒトを対象とした医薬品から、家畜用の飼料まで、幅広い応用が期待されます。

By the screening system for murine myoblasts, we found a series of bacterial ODNs that intensively promote myogenic differentiation. These ODNs are derived from the genomic sequence of Lactobacillus rhamnosus GG which are living in human gut and utilized for yogurt. We named these ODNs "myoDNs" (myogenetic ODNs) (Shinji 2021).

myoDN induced myogenic differentiation not only of murine but also human and chicken myoblasts. It indicates that myoDN can be applicable for various animals such as medical drugs for human and feed supplement for domestic animals.

Fig 1. 乳酸菌 ODN のスクリーニング / Screening of bacterial ODNs
(MHC⁺ cells, 筋細胞 / myocytes)

Fig 2. ヒトとニワトリ筋芽細胞における myoDN の効果 / Effects of myoDN on human and chicken myoblasts
(MHC, ミオシン重鎖 / myosin heavy chain)

myoDN の筋特異的作用 / Muscle-specific action of myoDN

myoDN を投与したマウスおよびニワトリ筋芽細胞では、筋分化の促進とともに細胞分裂の抑制が認められました。一方、マウス線維芽細胞に myoDN を投与しても細胞増殖に変化は見られませんでした。これらの実験から、myoDN の作用の本質は筋分化の促進であること、筋芽細胞の増殖抑制は筋分化の結果に伴う二次的なものであると考えられました。

myoDN induced differentiation and suppressed proliferation of murine and chicken myoblasts. Whereas myoDN did not affect proliferation of murine fibroblasts. These results demonstrate that myoDN essentially promote myogenic differentiation, and the inhibited cell growth is the resulting of enhanced differentiation.

Fig 3. myoDN の筋特異的作用 / Muscle-specific action of myoDN

myoDN の構造活性相関 / Structure-activity relationship of myoDN

myoDN の活性には立体構造が重要であることが、幾つかの実験結果から示されています。私たちは、myoDN の分子構造をシミュレーションすることで、myoDN の構造活性相関を明らかにしようとしています。また、myoDN の立体構造を安定化する分子の探索にも取り組んでいます。

Some experimental results suggest that 3-dimensional structure is critically important for myoDN activity. We are trying to clarify the structure-activity relationship of myoDN by simulating its molecular architecture. We also started to find the molecule which serves as a myoDN stabilizer.

Fig 4. myoDN の立体構造 (シミュレーション) / Molecular structure of myoDN (simulation)
(梅澤公二先生による / by Dr Koji Umezawa)

myoDN の応用展開 / Application of myoDN

骨格筋分化を特異的に誘導する myoDN には、以下のような応用展開が考えられます。私たちは現在、これらの可能性を順次検証しています。

• 骨格筋幹細胞 (衛星細胞) の活性化によるロコモティブ症候群の予防・治療
• 筋形成型オリゴ DNA と糖尿病筋芽細胞 / Diabetic myoblasts and myoDN (Nakamura 2021)
• 多能性幹細胞 (ES/iPS 細胞) 由来骨格筋細胞の作成による再生医療・創薬への貢献
• 筋分化誘導による横紋筋肉腫の増殖・転移の抑制
• ブロイラーなど家畜の筋形成の促進による食肉の増産

myoDN which specifically induces myogenic differentiation can be applied to following fields. We are investigating whether myoDN is applicable to these cases.

• Prevention and therapy of motor disorders by activating skeletal muscle stem cells (satellite cells).
• Contribution to regenerative medicine and drug screening by generating skeletal muscle cells from pluripotent stem cells (ESCs/iPSCs).
• Suppressing growth and metastasis of rhabdomyosarcoma by inducing its myogenic differentiation.
• Increasing meat production by facilitating skeletal muscle development of domestic animals (broiler, etc).

参考文献 / References