Habitual Physical Activity Preserves Energetically Constrained Mitochondrial Programs During Human Skeletal Muscle Aging

技術要約：習慣的な身体活動がヒト骨格筋の老化におけるエネルギー制約のあるミトコンドリア・プログラムを維持する

問題提起
加齢は、その要因の一つとして骨格筋におけるミトコンドリアの酸化リン酸化能の低下を伴う、有酸素能の減退を特徴とする。これまでのプロテオミクス研究では、加齢に伴いミトコンドリアタンパク質の存在量が減少することが確立されているが、ミトコンドリア・プロテオームのリモデリングとエネルギー容量との間の機能的な結合については、十分に理解されていない。さらに、習慣的な身体活動（PA）が単にミトコンドリア含有量を増加させるだけなのか、あるいは生体エネルギー機能と密接に関連する特定のミトコンドリア・プログラムを選択的に保持するのかについても不明である。既存の文献は、分子シグネチャーと生理学的表現型を別々に扱ったり、狭い年齢層に焦点を当てたりすることが多く、ライフスパンの枠組みの中で、加齢に伴うプロテオームのリモデリングと複数の組織にわたるin vivoのエネルギー容量を関連付ける視点が欠けている。

方法論
本研究では、22歳から89歳までの健康な個人96名からなるGESTALT（Genetic and Epigenetic Study of Aging Laboratory Testing）コホートのデータを利用した。研究者らは、マルチスケールかつマルチ組織のアプローチを採用した：

• プロテオミクス： 定量的タンデム質量タグ（TMT）プロテオミクスを、骨格筋生検、末梢血単核細胞（PBMC）、ナイーブCD4⁺およびCD8⁺ T細胞、および皮膚に対して実施した。筋肉からは計4,895個のタンパク質が定量化され、そのうち741個が高信頼性のMitoCoPミトコンドリア参照セットにマッピングされた。
• 生理学的測定： in vivoのミトコンドリア酸化能は、$^{31}\text{P}$磁気共鳴分光法（$\text{k}_{\text{PCr}}$、ホスホクレアチン回復速度定数）を介して評価された。心肺持久力は最高酸素摂取量（$\text{VO}_{2\text{peak}}$）として測定された。習慣的な身体活動は、自己報告式質問票（サブセットにおいてウェアラブル加速度計によって検証済み）を介して定量化され、4つの順序レベルに分類された。
• 統計解析： 各タンパク質の加齢、PA、および$\text{VO}_{2\text{peak}}$との関連を推定するために、性別、人種、BMI、線維比、およびバッチ効果を調整した線形回帰モデルを用いた。本研究では、タンパク質の存在量だけでなく、機能的経路内の相関構造（化学量論）も分析した。「レスキュー（救済）」シグネチャーは、PAまたは$\text{VO}_{2\text{peak}}$との関連の方向性が加齢との方向性と逆転するタンパク質として定義された。ネットワーク密度および組織間相関行列を用いて、全身的な協調性を評価した。

主要な貢献および結果

1. ミトコンドリア・プロテオームの選択的リモデリング：
   加齢は一様な全ミトコンドリアタンパク質の喪失を引き起こすのではない。むしろ、加齢はコアとなる生体エネルギーモジュール（酸化リン酸化［OxPhos］複合体サブユニット、TCAサイクル、ミトコンドリアリボソーム、およびタンパク質インポート機構）の選択的な枯渇を駆動し、経路内の相関構造を変化させる。具体的には、加齢は経路特異的な再編成を伴い、コアとなる生体エネルギー経路は、高齢者において内部相関が高まり不均一性が低下した（つまり、これらのネットワークの硬直化または収束を示唆する）。一方で、プロテオスタシス経路はより変動的となった。

2. 選択的修飾因子としての身体活動：
   習慣的な身体活動は、加齢に伴う変化と直接的に相反するプロテオミクス・シグネチャーと関連していた。

• 逆相関： 加齢とPAの回帰係数は逆相関を示した（Spearman $\rho = -0.35, p < 3.9 \times 10^{-7}$）。
• コア経路のレスキュー： PAは、OxPhos、TCAサイクル、およびミトコンドリアリボソームを含むコアな生体エネルギーカテゴリーのタンパク質を優先的に「レスキュー」（高い存在量を維持）した。加齢とともに減少するタンパク質（例：CYCS、COX20、COX6C）は、身体活動の高い個人において高いレベルで見られた。
• $\text{VO}_{2\text{peak}}$との区別： 心肺持久力（$\text{VO}_{2\text{peak}}$）は加齢に伴うタンパク質と強い逆相関を示したが（$\rho = -0.83$）、PAによるレスキュー・シグネチャーは、in vivoの筋肉エネルギー機能（$\text{k}_{\text{PCr}}$）により密接に結合していた。PAレスキュー・スコアは、加齢および$\text{VO}_{2\text{peak}}$で調整した後でも$\text{k}_{\text{PCr}}$と有意に関連し続けたのに対し、$\text{VO}_{2\text{peak}}$レスキュー・スコアはそうではなかった。これは、PAが$\text{VO}_{2\text{peak}}$という全身的な表現型よりも、筋肉固有のエネルギー適応をより直接的に捉えていることを示唆している。

3. エネルギー容量への機能的結合：
   PAレスキュー・ミトコンドリア・プロテオミクス・シグネチャーは、生理学的機能と強く結びついていた。PAレスキュー・スコアが高い個人は、より高い骨格筋酸化能（$\text{k}_{\text{PCr}}$）を示した。さらに、76個のPAレスキュー・ミトコンドリアタンパク質のうち93%が$\text{k}_{\text{PCr}}$とも有意に関連しており、このシグネチャーが二次的な相関ではなく、機能的に関連する成分を反映していることを示している。

4. 組織間協調：
   ミトコンドリア・プロテオミクス・プロファイルは、組織間（筋肉、PBMC、T細胞、皮膚）で緩やかではあるが構造化された協調性を示した。加齢は、複合的な末梢ミトコンドリアスコアの低下と関連していた。注目すべきことに、高いPAレスキュー状態は、一様に強い組織間同期をもたらすわけではなかった。むしろ、それは皮膚および免疫細胞コンパートメントを含む、組織間の相関における選択的な変化と関連していた。これは、身体活動がグローバルな全身的結合よりも、組織特異的なミトコンドリア・プログラムの専門化を促進することを示唆している。

意義および主張
本論文は、ヒト骨格筋におけるミトコンドリアの老化が、単なるミトコンドリア含有量の量的喪失ではなく、生体エネルギーの協調性の漸進的な崩壊、およびコアな生体エネルギー系の選択的な破壊であることを主張している。本研究は、習慣的な身体活動を、酸化機能と最も密接に結合しているミトコンドリア・プログラムを保持する「選択的安定化因子」として再定義している。

著者らは、PAレスキュー・シグネチャーが、in vivoのエネルギー容量に直接結合しているミトコンドリア・プロテオームの生物学的に意味のあるサブセットを特定していると結論付けている。身体活動が、コアな生体エネルギー経路における加齢に伴う変化に拮抗し、それらと酸化機能に密接に関連するミトコンドリア・プログラムを維持することを実証することで、本研究は、運動によるサルコペニアや移動能力制限に対する保護効果の分子基盤を提供している。これらの知見は、ミトコンドリアの老化には生体エネルギーネットワークの無秩序化が伴い、習慣的な身体活動がそのネットワークの安定化に寄与することを示唆している。