科学するHIIT

高強度インターバルトレーニング（HIIT）による長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）および環状RNA（circRNA）の発現調節：運動適応における役割の科学的解析

はじめに

高強度インターバルトレーニング（HIIT）は、その効率的な運動耐容能向上効果や代謝改善効果により、近年広く注目されています。これらの生理的な適応は、骨格筋をはじめとする様々な組織において、遺伝子発現やタンパク質機能のダイナミックな変化によって引き起こされます。従来、運動による遺伝子発現調節の研究は主にmRNAやタンパク質に焦点が当てられてきましたが、近年、ノンコーディングRNA（ncRNA）が細胞機能や疾患、そして運動応答において重要な役割を果たすことが明らかになってきています。特に、マイクロRNA（miRNA）については運動との関連研究が進んでいますが、長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）や環状RNA（circRNA）といった他の主要なncRNA群もまた、HIITによる運動適応に関与する可能性が示唆されており、活発な研究が進められています。

本記事では、最新の研究知見に基づき、HIITが骨格筋を中心とした組織におけるlncRNAおよびcircRNAの発現にどのような影響を与え、これらのncRNAが運動適応においてどのような分子メカニズム的役割を果たしうるのかについて、科学的に深掘りして解説します。

長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）と環状RNA（circRNA）の科学的背景

まず、lncRNAとcircRNAの基本的な概念と機能を整理します。これらはタンパク質に翻訳されないRNA分子でありながら、細胞内で多様な機能を持ちます。

• 長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）: 一般的に200ヌクレオチド長以上のncRNAを指します。lncRNAは、遺伝子の上流や下流、イントロン内、あるいは完全に独立した領域から転写されます。その機能は多岐にわたり、以下のようなメカニズムが報告されています。

  • 足場（Scaffold）機能: 複数のタンパク質やRNA分子を結合させ、複合体を形成し、特定の細胞内局所へ集積させることでシグナル伝達や生化学反応を調節します。
  • ガイド（Guide）機能: リボヌクレオタンパク質複合体の一部として、特定のDNAまたはRNA配列に結合し、その標的の機能（例：クロマチンリモデリング、遺伝子転写）を制御します。
  • デコイ（Decoy）機能: 特定のタンパク質やmiRNAに結合することで、その機能（例：転写因子のDNA結合、miRNAの標的mRNAへの結合）を阻害します（miRNAスポンジ機能もこれに含まれます）。
  • 信号（Signal）機能: 特定の生理的刺激に応じて発現が変動し、他の遺伝子の転写開始の指標となることがあります。 lncRNAの機能は配列特異的であり、細胞種や発生段階、生理的状態によって異なる発現パターンを示します。

• 環状RNA（circRNA）: 共有結合により環状構造を形成するncRNAです。主にmRNAの前駆体（pre-mRNA）の逆スプライシングによって生成されます。線状RNAに比べて分解されにくく、比較的安定であるという特徴があります。circRNAの機能としては、以下のようなものが報告されています。

  • miRNAスポンジ機能: 特定のmiRNAに多数結合サイトを持つcircRNAは、細胞内のmiRNAの利用可能性を低下させ、その結果、miRNAの標的となるmRNAからのタンパク質翻訳を増加させます。これはcircRNAの最もよく知られた機能の一つです。
  • RNA結合タンパク質（RBP）の足場またはデコイ機能: 特定のRBPに結合し、そのRBPが本来結合すべきRNAとの相互作用を調節します。
  • ごく一部のcircRNAは翻訳される可能性: 例外的にリボソームに結合し、短いペプチドを生成することが報告されているものもありますが、主流な機能ではありません。 circRNAもまた、特定の組織や細胞種で特異的に発現し、多様な生理機能に関与することが示唆されています。

これらのlncRNAおよびcircRNAの発現や機能が、HIITによってどのように影響を受け、運動による細胞応答や全身性の適応に関与するのかを解析することは、運動生理学や分子生物学において新たな研究フロンティアとなっています。

HIITによるlncRNAおよびcircRNA発現変動の科学的解析

複数の研究グループが、HIITを含む様々な運動介入が骨格筋におけるlncRNAやcircRNAの発現に影響を与えることを報告しています。例えば、特定のヒト介入研究では、数週間のHIITトレーニングによって、安静時および運動後の骨格筋生検サンプルにおいて、数百種類にも及ぶlncRNAやcircRNAの発現が有意に変動することが、RNAシーケンスなどの網羅的解析手法を用いて示されています。これらの研究では、変動したlncRNAやcircRNAの中には、ミトコンドリア機能、糖・脂質代謝、筋リモデリング、炎症応答、血管新生など、運動適応に関わる既知の遺伝子や経路の近傍に位置するものや、それらを調節する可能性が示唆されるものが多く含まれていました（特定のレビュー論文を参照のこと）。

動物モデル（例えばラットやマウス）を用いた研究でも、HIITプロトコルによって骨格筋のlncRNAやcircRNAの発現プロファイルが変化することが確認されています。これらの研究では、運動後の特定のタイミングで発現が大きく変動するlncRNA/circRNAが同定され、それらが急性の運動応答や長期的なトレーニング適応に関与する可能性が示唆されています。例えば、特定のcircRNAが運動によって増加し、それがmiRNAスポンジとして働き、ミトコンドリア生合成に関わる遺伝子の発現を間接的に促進するメカニズムが動物実験で提案されています（複数の先行研究がこの方向性を示唆しています）。

これらの発現解析研究では、単に変動したlncRNA/circRNAをリストアップするだけでなく、バイオインフォマティクス解析を用いて、それらの候補分子がmiRNAやRNA結合タンパク質に結合する可能性、あるいは近傍の遺伝子の発現を制御する可能性などを予測し、機能的な関連性を探索しています。しかし、網羅的解析によって同定された多数の候補の中から、実際に生理的に重要な役割を果たしているlncRNA/circRNAを特定し、その正確な機能メカニズムを解明するには、さらなる詳細な機能解析が必要となります。

lncRNAおよびcircRNAが介在する運動適応メカニズム

同定されたlncRNAやcircRNAが、HIITによる運動適応にどのように貢献しうるかについて、いくつかの仮説とそれを支持する部分的な証拠が提示されています。

例えば、骨格筋のミトコンドリア生合成はHIITによる運動耐容能向上の主要なメカニズムの一つです。このプロセスにはPGC-1αなどの転写共活性化因子が中心的な役割を果たしますが、特定のlncRNAやcircRNAがPGC-1αの発現や活性を調節する可能性が研究されています。ある研究では、特定のlncRNAが運動によって発現が増加し、それが転写因子と相互作用することでPGC-1α遺伝子の転写を促進することが示唆されています。また、別のcircRNAがmiRNAスポンジとして働き、PGC-1αの発現を抑制するmiRNAを隔離することで、間接的にPGC-1αの発現を増加させるメカニズムも提案されています。図Xに示すように、これらのncRNAは様々な階層でミトコンドリア生合成経路を制御する可能性があります。

筋肥大やリモデリングに関しても、同様のメカニズムが考えられています。mTOR経路やユビキチン-プロテアソーム系は筋タンパク質代謝において重要ですが、これらに関わる遺伝子の発現や翻訳を調節するlncRNAやcircRNAの存在が報告されています。例えば、特定のlncRNAがmTORシグナル伝達に関わるタンパク質に結合し、その活性を調節したり、特定のcircRNAが筋萎縮を誘導するmiRNAを隔離することで、筋量維持に貢献したりする可能性が動物モデルや細胞培養実験で示唆されています。

さらに、血管新生や炎症応答といった、HIITによる全身性適応に関わるプロセスにおいても、lncRNAやcircRNAの関与が研究されています。血管内皮細胞における血管新生関連遺伝子の発現を調節するlncRNAやcircRNA、あるいは炎症性サイトカインの発現を制御するncRNAが、HIITによって影響を受けることが示唆されています。これらの知見は、HIITの多面的な生理効果の背景に、多様なncRNAが関わる複雑な分子ネットワークが存在することを示しています。

これらのメカニズムを検証するためには、in vitro（細胞培養）またはin vivo（動物モデル）において、特定のlncRNAやcircRNAの発現を操作（ノックダウンや過剰発現）し、その後の細胞機能や生理的応答を解析する手法が用いられています。また、RNAプルダウンアッセイや質量分析法を用いて、標的となるタンパク質やmiRNAとの物理的な結合を確認するといった生化学的な手法も重要です。

研究における課題と今後の展望

lncRNAやcircRNAとHIITによる運動適応に関する研究はまだ発展途上であり、多くの未解明な点が残されています。主な課題としては、以下のような点が挙げられます。

• 機能の特定と検証: 網羅的解析で多数の候補が同定されますが、実際に生理的に重要な機能を持つlncRNA/circRNAはごく一部と考えられています。どの候補が重要であり、その正確な機能メカニズム（どの分子に結合し、どのように作用するか）を特定し、厳密に検証することが最大の課題です。
• 細胞種・組織特異性: lncRNAやcircRNAの発現および機能は、組織や細胞種によって大きく異なります。骨格筋内の異なる筋線維タイプ、あるいは筋細胞以外の細胞（例：線維芽細胞、血管内皮細胞、免疫細胞）におけるlncRNA/circRNAの役割を詳細に解析する必要があります。
• 運動プロトコルの多様性: HIITのプロトコル（強度、持続時間、インターバル、頻度など）は多岐にわたります。異なるプロトコルがlncRNA/circRNAの発現に与える影響や、それらが誘導する適応メカニズムの違いを比較検討することも重要です。
• 個人差: HIITに対する応答には大きな個人差が存在することが知られています（応答者・非応答者問題）。lncRNA/circRNAの発現プロファイルが、この個人差の要因の一つとなっている可能性も考えられます。遺伝的背景やエピジェネティックな要因と組み合わせた解析が求められます。
• 全身性影響: 骨格筋以外の組織（脂肪組織、心臓、脳など）におけるlncRNA/circRNAの発現変動と、それらが全身性の代謝や生理機能に与える影響についても、より広範な研究が必要です。

今後の研究では、RNAシーケンスやシングルセル解析といった網羅的手法に加え、CRISPR-Cas9システムを用いた特異的なlncRNA/circRNA遺伝子座の編集や、機能解析のためのレポーターアッセイ、細胞内局在解析、RNA-タンパク質相互作用解析など、様々な分子生物学的手法を組み合わせることが不可欠となります。また、ヒトを対象とした介入研究において、運動応答性に関わるlncRNA/circRNAを同定し、その機能を検証することで、運動効果を予測するバイオマーカーとしての可能性や、新たな介入標的としての可能性を探ることも重要な方向性となります。

表Yは、異なる研究で運動によって変動が報告された代表的なlncRNA/circRNA候補とその示唆される機能をまとめた例です。これらの知見を統合し、lncRNA/circRNAが関わる運動適応の分子ネットワークをより包括的に理解することが、今後の課題となります。

結論

高強度インターバルトレーニング（HIIT）は、骨格筋をはじめとする様々な組織における長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）および環状RNA（circRNA）の発現に影響を与えることが、最新の研究によって示唆されています。これらのncRNAは、miRNAスポンジ機能、タンパク質との相互作用、遺伝子発現調節など多様な分子メカニズムを介して、ミトコンドリア生合成、筋リモデリング、代謝調節、血管新生といった運動適応プロセスに関与する可能性が考えられています。

現時点では、個々のlncRNAやcircRNAがHIITによる運動適応において果たす具体的な役割やそのメカニズムの全貌は、まだ十分に解明されているとは言えません。しかし、これらの分子は、運動による生理的応答を理解するための新たな視点を提供し、将来的に運動応答性の予測や運動効果の最大化に向けた個別化戦略の開発につながる可能性を秘めています。今後の研究の進展により、lncRNAおよびcircRNAがHIITによる運動適応において果たす複雑かつ重要な役割が、さらに明らかになることが期待されます。