高カロリ-食の摂取により糖尿病を発症させたKK/Taマウス,KKA^y/Taマウスの骨格筋ではGLUT1,GLUT4 mRNAレベルの低下が認められたほか,細胞内に取り込まれたグルコースをリン酸化するII型ヘキソキナーゼ(HK2)の遺伝子発現が著しく低下しており(図1),これが両KKマウスの糖尿病発症の原因となっていると推測された.また,骨格筋で発現しているミトコンドリアの脱共役蛋白UCP2,UCP3 mRNAレベルが血糖値と正の相関を示すことがわかった.さらに摂食抑制作用を有するレプチンを遺伝的にもたないob/obマウス,またレプチン受容体の欠損したdb/dbマウスの骨格筋では,GLUT4やUCP3の遺伝子発現の低下が認められた.これらの糖尿病マウスの骨格筋における遺伝子発現の異常はNIDDM患者の骨格筋で認められる知見と一致している部分も多く,これらが骨格筋のインスリン抵抗性における糖代謝やエネルギ-代謝の障害の一因となっていることが示唆された.

図1.肥満・糖尿病モデルマウスの骨格筋(Gastrocnemius,Soleus)における遺伝子発現レベル.KKA^y/Ta,KK/TaマウスはC57BLマウスと,またdb/db,ob/obマウスはm+/m+マウスと比較した.Means±SE.n＝7.*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001(Dunnett検定).HK2:II型ヘキソキナーゼ,GS:グリコーゲン合成酵素

　KK/Taマウスにチアゾリジンジオン誘導体(TZD)を2週間投与し,高血糖やインスリン抵抗性を改善させた後,骨格筋における遺伝子発現レベルを調べた.TZD投与によりHK2,UCP2の遺伝子発現増加が認められたが,GLUT4 mRNAレベルは変化しなかった.一方,UCP3遺伝子発現の顕著な低下が認められた.また,筋特異的転写因子MyoD,MyogeninのmRNAレベルの変動が認められ,TZDが骨格筋の筋線維の構成に何らかの影響を与えている可能性が示唆された.TZD投与により,KK/Taマウスの高血糖は正常化されるものの,骨格筋のGLUT1やHK2遺伝子発現レベルの低下は,正常血糖マウスの骨格筋における発現レベルにまで改善されないことが明らかになった.

　KK/Taマウスへの甲状腺ホルモン(T₃)投与により高血糖は有意に改善し,骨格筋でのGLUT4,およびMyoDの遺伝子発現の増加が認められた.これまでの報告から,筋組織にGLUT4を過剰発現させたトランスジェニックマウスでは顕著にインスリン抵抗性が改善されることが知られている.また,脂肪細胞の分化を促進するTZDが脂肪組織のインスリン抵抗性を改善することから,筋細胞の分化を促進すれば骨格筋のインスリン抵抗性が改善できる可能性も考えられる.これらの情報と仮説から,T₃の骨格筋におけるGLUT4の発現亢進作用,および筋分化を正に制御している転写因子MyoDの発現亢進作用はインスリン抵抗性改善効果として望ましいものであると考えた.しかしながら,T₃そのものは肝臓に対る糖新生亢進作用や,心臓に対する心拍数の上昇など,副作用になりうる効果も併せもっており,現在,甲状腺ホルモン受容体アイソフォームの組織分布の違いから筋組織に対する作用と肝臓に対する作用を分離する試みがなされている.そこで本研究では,T₃の作用のうち骨格筋に対する作用に着目し検討した.

　培養筋細胞C₂C₁₂を筋管に分化させた後,T₃で処理したところ,GLUT4,GLUT1の遺伝子発現はそれぞれ約3倍,約2倍に誘導された(図2).また,UCP2,UCP3,HK2,グリコーゲン合成酵素(GS)の遺伝子発現も顕著に誘導された,T₃を投与したマウスの骨格筋でも同様の発現誘導が認められた.これらの結果はT₃の骨格筋における糖取り込み亢進作用や糖代謝・エネルギー代謝亢進作用を示唆するものであった.

図2.T₃による培養筋細胞の遺伝子発現誘導.筋管に分化したC₂C₁₂細胞をT₃で36時間処理し,T₃による遺伝子発現誘導の濃度依存性を調べた.Means±SE.n＝3.^*P<0.05,^**P<0.01,^***P<0.001(Dunnett検定).

　細胞周期の進行を負に制御しているCDKインヒビターp21/CIP1ファミリーのメンバ-[p21,p27,p57]の遺伝子発現が筋分化に伴ってどのように変動するか,またこれらの遺伝子発現に与える甲状腺ホルモンの影響について検討した.筋細胞の分化に伴いp21の遺伝子発現レベルは約8倍に増加した.T₃は分化前の筋芽細胞,および筋管に分化した細胞においてp21の遺伝子発現を誘導した.また,T₃を投与したマウスの骨格筋においても同様にP21の遺伝子発現誘導が認められた.T₃は細胞周期の停止を促進することで増殖から分化への移行を早め,また筋管細胞における増殖停止の維持にも機能していることが示唆された.筋芽細胞でのp21の遺伝子発現誘導がMyoDやMyogeninの遺伝子発現誘導よりも遅れて起こることから,p21はT₃により誘導されたMyoDやMyogeninによって間接的に誘導されていると考えられた.

　T₃によるGLUT4遺伝子プロモーターの発現調節部位の同定を試みた.5’側の長さを変えたプロモーターを含むGLUT4ミニジーンを導入したトランスジェニックマウスにT₃を投与し,骨格筋におけるGLUT4ミニジーンの発現変動を調べたところ,-442から-700の領域にT₃応答性が認められた.T₃はこの領域内に位置する3か所のTREのhalf site,およびEボックスのいずれかを介してGLUT4の発現調節に関与していることが示唆された.

　以上の結果より,インスリン抵抗性を起こしている骨格筋では糖代謝関連因子の遺伝子発現レベルが,正常な骨格筋と比べて,また成因の異なる糖尿病マウス間で,明らかに異なっていることがわかった.TZD投与により糖尿病マウスのインスリン抵抗性を改善しても,骨格筋における遺伝子発現の異常が正常レベルに回復せず,インスリン抵抗性を惹起している複雑な要因の存在が示唆された.甲状腺ホルモンは培養筋細胞と骨格筋の両方においてGLUT4やHK2,GSおよびUCP2,UCP3といった糖代謝の主要な因子の遺伝子発現を著しく誘導したことから,糖代謝が低下している骨格筋の什スリン抵抗性改善に有効に作用する可能性が示された.本研究で得られた成果は,NIDDMにおける骨格筋のインスリン抵抗性の成因機序,ならびにTZDや甲状腺ホルモンのインスリン抵抗性に対する作用機序を分子レベルで解明するのに役立つものと期待される.