予期せぬ発見

イーストカロライナ大学の研究者らは、足の筋肉が酸素なしでどのように動作するかによって、他の筋肉とは根本的に異なって見えることを発見しました。彼らの調査は、その理由を解明しようとして始まったばかりです。

骨格筋は、呼吸、運動、体温調節、つまりエネルギーの可能性を維持するために酸素を吹き込む生命の活動に使用される、とブロディスクールの生理学教授で解剖学・細胞生物学科の学部長を務めるエスペン・スパンゲンバーグ氏は述べた。医学の。

足の赤くハイライトされた部分は、人間の足の短趾屈筋の位置を表しています。 (写真提供：ウィキメディア・コモンズ)

短趾屈筋（略してFDB）は、哺乳類の足にある骨格筋です。筋肉はさまざまな種類の生理学的測定に適しているため、FDB は生物学的実験でよく使用されます。

スパンゲンバーグ氏は主に骨格筋の研究を行っているが、数年前、ブロディ研究員仲間のジョセフ・マックラング氏の末梢動脈疾患の治療法を検討する研究に協力した。この研究では、前臨床モデルにおいて被験者の四肢への血流の減少が求められ、FDBは心臓から最も遠い筋肉であるため、血流制限による損傷の兆候が最初に現れるはずでした。

しかし、そんなことは起こりませんでした。

「私の研究室の一人がやって来て、私のオフィスに物を投げ込みました。彼は本当に動揺していました」とスパンジェンバーグ氏は語った。「彼は『この筋肉を死なせるわけにはいかない』と言いました。そして彼はそのことに本当に腹を立てていました。私は彼を見つめ続けて、『待って、私たちのやり方はすべて間違っている』と思いました。」

血流、ひいては酸素の流れを制限しても筋肉が死なないのであれば、何か奇妙なことが起こっているのかもしれない、とスパンジェンバーグ氏は考えた。彼は、現在の科学では不可能であると言われている条件下で筋肉がなぜ生き残っているのかを解明するために、チームの焦点を変える必要がありました。

スパンゲンバーグ氏と彼のチームが研究した FDB サンプルは、映画のスーパーヒーローのように不滅ではありませんでした。何度も攻撃を受ければ筋肉組織はばらばらになってしまいますが、何らかの理由でFDBは酸素なしでも他の種類の骨格筋よりもはるかに長く生存することができました。

酸素はミトコンドリア内で働き、筋収縮や神経伝達などの細胞プロセスに必要な分子であるATPを生成するため、骨格筋の機能に必要です。酸素が欠乏したFDB筋がそのエネルギー需要を満たすのに酸素を必要としないのであれば、Spangenburg氏のチームは、他のどのようなメカニズムでATPを供給できるのかを知りたいと考えた。

筋肉組織に蓄えられた炭水化物を分解する解糖は実行可能な選択肢のように思え、彼らの研究によりFDB組織の生存を維持するエネルギーの一部を賄える可能性があることが判明したが、試験では解糖だけでは十分ではないことが判明した。

FDB マッスルが他のマッスルとは異なる動作をするように見えるのはなぜですか?

スパンゲンバーグは困惑し、チームを振り出しに戻した。彼は、ミトコンドリアとがんの関係を専門とする別のECU研究者、ケルシー・フィッシャー・ウェルマンに連絡を取った。 2つの研究室はリソースを共有し、数千のタンパク質をスクリーニングし、それらを他の筋肉プロファイルと比較することによって、スパンジェンバーグ氏が「発見ベースのアプローチ」と呼ぶものを開始した。彼らは、FDB に特有の多くのタンパク質を同定し、FDB と他の骨格筋の違いを説明する上で有望であることを示しました。

「私たちはエネルギーに基づくものがたくさんあると思っていましたが、実際にはそうではありませんでした。筋肉には環境を制御する何らかの方法があるようです」とスパンジェンバーグ氏は語った。「私たちが考えていたことの 1 つは、冬眠していることです。まだそれを反証できていません。」

フィッシャーウェルマン教授は、スパンゲンバーグの研究室が行った発見は基礎的なものであり、この発見から解き明かされる哺乳類の生物学に関する潜在的な手がかりが、まだ考慮されていない広範な影響を与える可能性があることを意味すると述べた。

「この筋肉には他の筋肉と比べて何か根本的に異なる点があります」とフィッシャーウェルマン氏は言う。「そこが興味深い部分です。これらのギャップを埋めると、発見をどこに適用できるかが少しわかりやすくなります。」

ECU のフィッシャーウェルマン研究室がこの発見に関与しました。彼のチームは、FDB と実験の対照として使用された他の筋肉組織との違いを検証するために必要なプロテオミクスを実行しました。プロテオミクスは、組織の構造を縮小すること、基本的には組織を粉砕することを含む技術であり、これにより、研究対象の組織の分子成分を検出できるハイテク機械である質量分析計による分析が可能になります。

フィッシャーウェルマンの研究室は、FDB筋肉サンプルと、対照として使用する同じドナーからの他の2種類の筋肉組織に対してプロテオミクス手順を実施しました。フィッシャーウェルマン氏は、対照が2つあることで、調査結果の妥当性が確固たるものになったと述べた。

「他の皆さんと同じように、私もこのデータに驚いています。最初にこのデータを聞いたときは、『おいおい、そんなことは現実的ではない』と思いました。その後、データを何度も何度も見ることになります…それがそうです」ワイルドだ」とフィッシャーウェルマン氏は語った。「彼らがどうなるか興味があるよ。しばらくは誰かが忙しくなるだろうね。」

筋肉組織の研究における永続的な課題の 1 つは可塑性、つまり筋肉組織が課せられた要件に適応する能力です。ランナーは短距離走から長距離走に切り替えることができ、それぞれの運動スタイルでは同じ筋肉に異なる動作が求められます。宇宙飛行士が無重力下の宇宙で長時間過ごすと、その人の代謝や運動のニーズを満たすために筋肉が変化します。筋肉組織には固有の可塑性があるため、研究者にとって変数を分離することはさらに困難になります。

この発見のもう一つの不可解な側面は、運動には必要だが生命維持には必須ではない筋肉（心臓の鼓動と肺呼吸を維持する心臓や横隔膜の筋肉を思い浮かべてください）が、なぜ酸素がなければ他の筋肉タイプよりもはるかに長く生存できるように適応したのかということです。スパンジェンバーグ氏は、動作のために足に重く反復的なストレスを与える可能性があるなど、いくつかのアイデアを持っていますが、仮説を提案することにまだ自信がありません。

FDB がそのような動作をする明確な理由がないことは、スリリングであると同時にイライラすることでもあります。

「私は午前3時に天井を見つめて頭をかきむしっていました。私はこれを解決するつもりだと決心していました」とスパンジェンバーグ氏は語った。「それは、私たちがどれほど理解していないのかを思い出させてくれました。時々、私たちは物事を理解したと思っているのに、物事の完全な理解を吹き飛ばす瞬間が来ることがあります。」

エベレット・ミンチュー博士スパンゲンバーグの研究室で働き、12月に卒業予定のこの候補者は、医学研究分野全体で広範に実用化できる可能性がある研究結果の基本的な性質に勇気づけられている。基礎科学は必ずしも基礎的なものではないが、その結果は科学に興味のない読者にも比較的簡単に理解できると同氏は述べた。

博士課程候補者のエベレット・ミンチュー氏（右）とニック・ウィリアムソン氏は、イーストカロライナ大学のスパンジェンバーグ研究室で働いている。 (ECU 写真提供: Cliff Hollis)

エベレット・ミンチューはニュージャージー州の医師の家庭の出身です。数人の医師の仕事を尾行した後、生理学が彼の天職であることが明らかになり、体の仕組みをより深く掘り下げたいと考えました。

ミンチュー氏は、ECU の生理学研究チームが国内の有名な研究機関と同等であると信じており、スパンゲンバーグの研究室の一員であることを誇りに思っています。

「有名な学校からは大きな発見が常に見られます。そのほんの一部をここECUで得られるのは、非常にエキサイティングです」とミンチュー氏は語った。

「素晴らしいのは、友人や家族が私の研究について尋ねたとき、私がプロジェクトについて分かりやすく説明できることです。そして彼らも同じように興奮してくれるのです」とミンチュー氏は語った。「もし私が、容易に理解できない非常に特殊なタンパク質構造のようなものに取り組んでいたら、話は全く違ったものになるでしょう。」

科学の低迷は数字かもしれない。ああ、ああ、という瞬間はほとんどありません。

「人々が自分の出版物をインクリメンタルと呼ぶのを聞きたくないでしょう。私たちは今、誰もが完全な答えを求めている奇妙な環境にいます。私たちはデータを収集し始め、次に再現を開始し、その時、何かを掴んでいると確信しました。私は『まあ、これではインクリメンタルの話は聞けないだろう』と思った」とスパンジェンバーグは回想した。

まず、彼は計算を解かせました。

スパンゲンバーグはある日、家で数字の結び目を解く作業をしていました。グリーンビルの DH コンリー高校の 3 年生で、大学の微積分コースに通っている息子のクインシーは、父親に何を取り組んでいるのか尋ねました。

「その日、私はたまたま自宅で仕事をしていて、数学的に計算できるはずだと思っていたのに、計算できなかったため、体調を崩してしまいました」とスパンジェンバーグさんは語った。「私は彼を引き寄せて、『これが私の状況だ』と言いました。」

クインシー氏は、データは多項式関数のように見え、接線を使用してエスペン氏がデータから導き出そうとしている答えを計算できると考えたと述べた。エスペンはクインシーにデータを渡し、1時間半後にクインシーが戻ってきて、それを解明したと父親に話した。

「私たちは彼のアプローチにいくつかの調整を加える必要がありましたが、彼は文字通りデータを評価する方法を開発してくれました」とスパンジェンバーグ氏は語った。「しかし、その後、私は何をすればよいのかわかりませんでした。なぜなら、誰かがこのように研究に追加する場合、通常は論文に追加することになるからです。」

スパンジェンバーグ氏は困惑していました。クインシー氏を共著者として論文に加えることは、彼と息子の両者にとってどう考えられるでしょうか? それは縁故主義とみなされるでしょうか？それは倫理的でしたか？

「私は同僚数人に電話して、『分かった、これが起こったんだ』と言いました。「どうすればいいですか？彼を論文に加えるべきでしょうか？これは奇妙です。奇妙に思われたくないのです」とスパンジェンバーグ氏は語った。「そして彼らは皆同じことを言いました。『あなたならできましたか？』」

クインシーのようなやり方ではなく、読者にとって明確な方法で、エスペンはそれに応えた。クインシーは研究に不可欠な部分である、と同僚らは答えた――彼を共著者として追加する必要がある。

論文に誰の名前が記載されているかに関係なく、このチームの発見はすでに他の機関の研究者に身体の仕組みについての仮定に疑問を投げかけている。

「FDB マッスルの実験全体を私に送ってきて、『時間の無駄ですか？こんなことをする必要があるのですか？』と尋ねてきた男性がいます」とスパンジェンバーグ氏は語った。「この発見は、この筋肉がルールの例外であるため、将来教科書に記載される内容を変える可能性があります。そして、それは他にも例外がある可能性があることを意味します。これが唯一の例外ではない可能性があります。」

チームの調査結果から得られる可能性について話すとき、スパンゲンバーグ氏は目を輝かせます。

「システムがいかに複雑であるかがわかり始めます。私たちはその複雑さを過小評価していることがあります。」

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