科学するHIIT - 高強度インターバルトレーニング（HIIT）によるタンパク質の翻訳後修飾：リン酸化とアセチル化に着目した分子メカニズム

高強度インターバルトレーニング（HIIT）によるタンパク質の翻訳後修飾：リン酸化とアセチル化に着目した分子メカニズム

Tags: HIIT, 翻訳後修飾, リン酸化, アセチル化, 分子メカニズム, 運動生理学, プロテオミクス, シグナル伝達, 代謝適応

はじめに：運動応答におけるタンパク質の翻訳後修飾の重要性

高強度インターバルトレーニング（HIIT）は、心肺機能の向上、代謝適応、筋力増強など、多岐にわたる生理的な効果をもたらす運動様式として広く研究されています。これらの適応は、細胞レベルでのシグナル伝達経路の活性化、遺伝子発現の変化、そして最終的にはタンパク質の機能や量の変化によって引き起こされます。細胞内のタンパク質は、合成された後も様々な化学的な修飾を受けることで、その構造、局在、安定性、そして機能が大きく変化します。これを翻訳後修飾（Post-Translational Modification: PTM）と呼びます。運動、特にHIITのような強度の高い刺激は、細胞内の環境を劇的に変化させ、特定のPTMsをダイナミックに誘導または抑制することが、近年の研究で明らかになっています。

本記事では、HIITによる運動適応メカニズムをより深く理解するために、数あるPTMsの中でも特に研究が進んでいる「リン酸化」と「アセチル化」に焦点を当て、これらの修飾がHIIT応答において果たす役割について、最新の学術的知見に基づいて解説します。

翻訳後修飾（PTMs）の概観と運動応答における意義

PTMsは非常に多様であり、リン酸化、アセチル化、メチル化、ユビキチン化、SUMO化、グリコシル化など、100種類以上が同定されています。これらの修飾は、特定の酵素（例：キナーゼ、アセチルトランスフェラーゼ、ユビキチンリガーゼ）によって付加され、あるいは別の酵素（例：ホスファターゼ、デアセチラーゼ、デユビキチナーゼ）によって除去されることで、可逆的にタンパク質の状態を制御します。

細胞が外部からの刺激（例：運動による機械的ストレス、代謝変化、ホルモン刺激）を受けると、細胞内のシグナル伝達経路が活性化されます。多くの場合、これらのシグナル伝達経路は、一連のタンパク質のPTMs、特にリン酸化を介して情報伝達を行います。最終的に、これらのシグナルは標的タンパク質の機能変化や、転写因子の活性化を介した遺伝子発現の変化を引き起こし、細胞の応答や適応へと繋がります。運動による骨格筋や心筋の適応においても、PTMs、特にリン酸化とアセチル化が中心的な役割を担っていることが、多くの研究で示唆されています（レビュー論文を参照）。

HIITとタンパク質リン酸化：シグナル伝達カスケードの中心

リン酸化は、タンパク質の特定のアミノ酸残基（セリン、スレオニン、チロシン）にリン酸基が付加される修飾です。これは細胞内シグナル伝達において最も一般的で重要なPTMの一つであり、キナーゼによって触媒され、ホスファターゼによって脱リン酸化されます。リン酸化は、タンパク質の立体構造を変化させたり、他のタンパク質との相互作用を調節したりすることで、その活性や機能、局在を制御します。

HIITのような高強度の運動負荷は、骨格筋や心筋において様々なシグナル伝達経路を活性化させます。その中でも特に、運動によるリン酸化応答の主要なメディエーターとして知られているのが、AMPK (AMP-activated protein kinase)、MAPK (Mitogen-activated protein kinase)ファミリー（ERK, JNK, p38）、そしてAkt (Protein kinase B)などのキナーゼ群です。

AMPK経路: HIIT中の高いATP消費とそれに伴うAMP/ATP比の上昇は、AMPKのリン酸化・活性化を強く誘導します。活性化されたAMPKは、糖輸送体GLUT4の膜移行を促進するAS160 (TBC1D4) や、脂肪酸酸化に関わるACC (Acetyl-CoA Carboxylase) など、エネルギー代謝関連タンパク質をリン酸化します。複数の研究グループによる報告は、HIITプロトコルがAMPKの強力な活性化因子であることを consistent に示しています。AMPK活性化は、ミトコンドリア生合成、糖取り込み、脂肪酸酸化の促進など、多くの代謝適応に寄与すると考えられています（〇〇研究、△△研究など）。
MAPK経路: 筋収縮による機械的ストレスや代謝ストレスは、MAPKファミリー（ERK, JNK, p38）のリン酸化カスケードを活性化します。これらのMAPKは、筋肥大、筋分化、炎症応答、アポトーシスなど、様々な細胞応答に関与します。例えば、p38 MAPKはPGC-1αなどの転写共役因子をリン酸化することで、ミトコンドリア生合成関連遺伝子の発現を制御することが示唆されています（レビュー論文を参照）。HIITは、特にp38 MAPKやERK1/2のリン酸化を強く誘導することが多くの動物実験やヒト研究で観察されています。
Akt/mTOR経路: レジスタンス運動でよく知られるAkt/mTOR経路も、HIITのプロトコルによっては活性化されることが報告されています。AktはTSC2などをリン酸化することでmTORC1を活性化し、筋タンパク質合成を促進します。ただし、HIITによるAkt/mTOR経路の活性化は、運動強度やインターバル構成、栄養摂取のタイミングなどによって変動すると考えられており、その詳細なメカニズムや意義についてはさらなる研究が必要です。

これらの主要なシグナルキナーゼだけでなく、HIITは細胞内の多様なタンパク質のリン酸化状態を変化させます。プロテオミクス、特にリン酸化プロテオミクス解析を用いた包括的な研究では、HIIT後の骨格筋で、エネルギー代謝、カルシウムハンドリング、筋収縮、細胞骨格、シグナル伝達、遺伝子発現調節など、幅広い機能カテゴリーに属する数百種類のタンパク質のリン酸化レベルが変動することが報告されています（質量分析を用いた大規模プロテオミクス研究の報告を参照）。このような網羅的な解析は、従来の仮説駆動型研究では見過ごされがちな、運動応答に関わる新たなリン酸化ターゲットやシグナル経路の同定に繋がり、HIITによる複雑な運動適応メカニズムの全体像を解明する上で重要な知見を提供しています。

HIITとタンパク質アセチル化：代謝調節と遺伝子発現制御への関与

アセチル化は、タンパク質の特定のリジン残基にアセチル基が付加される修飾です。特にヒストンのアセチル化は、クロマチン構造を緩和し遺伝子発現を促進するエピジェネティック制御機構としてよく知られていますが、ヒストン以外の多くのタンパク質（非ヒストンタンパク質）もアセチル化を受け、その機能や局在、安定性などが調節されます。アセチル化はアセチルトランスフェラーゼ（Lysine Acetyltransferases: KATs or HATs）によって触媒され、デアセチラーゼ（Lysine Deacetylases: HDACs or Sirtuins）によって除去されます。

近年の研究により、タンパク質アセチル化が運動応答、特に代謝調節において重要な役割を果たしていることが示唆されています。

ミトコンドリアタンパク質のアセチル化: 骨格筋のミトコンドリアは、脂肪酸酸化やクエン酸回路など、エネルギー代謝の中心的な役割を担います。質量分析を用いた研究から、運動はミトコンドリア内の多くのタンパク質のアセチル化状態を変化させることが明らかになっています。例えば、電子伝達系のサブユニット、クエン酸回路の酵素、脂肪酸酸化関連酵素など、様々なミトコンドリア機能に関わるタンパク質が運動によってアセチル化され、その活性が調節されることが報告されています（ミトコンドリアプロテオミクス研究を参照）。HIITは、ミトコンドリアの数や機能だけでなく、こうした個々のミトコンドリアタンパク質の翻訳後修飾、特にアセチル化パターンにも影響を与える可能性があり、これがHIITによる強力な代謝改善効果の一因となっていると考えられています。
脱アセチル化酵素Sirtuins: Sirtuins (SIRT1-7) は、NAD+依存的な脱アセチル化酵素ファミリーであり、細胞のエネルギー状態に応答して活性が制御されます。特にSIRT1は、PGC-1αやFoxOなどの転写因子、あるいはエネルギー代謝関連酵素を脱アセチル化することで、ミトコンドリア生合成、脂肪酸酸化、抗酸化応答など、様々な生理機能に関与します。HIITによってNAD+レベルが上昇し、SIRT1を含むSirtuinsの活性が調節されることが複数の研究で示唆されており（NAD+/SIRT経路に関する研究を参照）、これがアセチル化状態の変化を介して運動適応に貢献している可能性があります。SIRT3はミトコンドリア内の主要なデアセチラーゼであり、ミトコンドリアタンパク質のアセチル化状態を制御することで、ミトコンドリア機能や応答を調節することが知られています。HIITによるSIRT3活性化やミトコンドリアタンパク質のアセチル化変化に関する研究も進行中です。
ヒストンのアセチル化: ヒストンのアセチル化は遺伝子発現を制御するため、運動による長期的な適応（例：ミトコンドリア関連遺伝子、血管新生関連遺伝子、筋肥大関連遺伝子の発現誘導）に関与すると考えられています。HIITが骨格筋における特定のヒストンのアセチル化状態を変化させ、これが運動応答遺伝子の発現調節に繋がることが示唆されています（エピジェネティック修飾に関する研究を参照）。

リン酸化と同様に、アセチル化プロテオミクス解析は、HIITによるアセチル化応答の全体像を把握する上で強力なツールとなります。運動後の骨格筋でアセチル化レベルが変動する非ヒストンタンパク質の網羅的な解析は、代謝調節やシグナル伝達におけるアセチル化の新たな役割を明らかにしつつあります。

リン酸化とアセチル化のクロストーク：PTMsネットワークの複雑性

細胞内のシグナル伝達は、単一のPTMによって制御されているわけではなく、複数のPTMsが協調的あるいは拮抗的に作用する複雑なネットワークを形成しています。リン酸化部位とアセチル化部位が互いに近接している場合や、あるタンパク質のリン酸化がそのアセチル化酵素/デアセチラーゼとの相互作用を変化させるなど、リン酸化とアセチル化の間には密接なクロストークが存在することが示唆されています。

例えば、AMPKはSIRT1をリン酸化し、その活性や局在を調節することが報告されています。また、PGC-1αのような転写共役因子は、AMPKによるリン酸化とSIRT1による脱アセチル化の両方によって活性が調節されます。このように、HIITによって活性化される主要なシグナル経路（リン酸化カスケード）と、アセチル化/脱アセチル化酵素が連携し、運動適応に関わる遺伝子発現やタンパク質機能を統合的に制御していると考えられます。

このPTMsネットワークの全体像を理解するためには、リン酸化プロテオミクスとアセチル化プロテオミクスを組み合わせたマルチオミクスアプローチや、特定のPTM部位に変異を導入した遺伝子改変動物を用いた機能解析などが今後さらに重要になると考えられます。図Xは、HIITによって活性化される主要なシグナル経路と、リン酸化・アセチル化が関与するタンパク質群の模式図を示しています（実際の図は省略）。

研究手法に関する考察：PTMs解析のアプローチ

HIIT研究におけるPTMs解析は、主に以下のような手法を用いて行われています。

ウェスタンブロット解析: 特定のタンパク質の総量や、特定のPTM部位に対する抗体を用いて、そのリン酸化やアセチル化レベルの変化を検出する手法です。簡便ですが、解析できるタンパク質の種類やPTM部位は限られます。
免疫沈降 - ウェスタンブロット解析: 特定のタンパク質を免疫沈降した後に、そのタンパク質のPTMに対する抗体を用いて、修飾レベルを検出する手法です。特定のタンパク質のPTMを詳細に解析するのに適しています。
質量分析（Mass Spectrometry: MS）を用いたプロテオミクス解析: 細胞や組織から抽出したタンパク質を酵素消化し、得られたペプチドを質量分析計で解析することで、網羅的なタンパク質同定や定量を行います。PTM部位を含むペプチドを特異的に濃縮する手法（例：リン酸化ペプチド濃縮のためのチタンジオキシドカラム、アセチル化ペプチド濃縮のための抗アセチルリジン抗体を用いた免疫アフィニティークロマトグラフィーなど）と組み合わせることで、細胞全体のリン酸化プロテオームやアセチル化プロテオームの変化を網羅的に解析することが可能です。近年の質量分析技術の進歩により、高感度かつ定量的なPTMsプロテオミクス解析が可能となり、HIITによる運動応答の分子メカニズム研究に革命をもたらしています。表Yは、異なる研究で報告された、HIIT後にリン酸化/アセチル化レベルが変動する代表的なタンパク質群を示しています（実際の表は省略）。

これらの手法にはそれぞれ長所と短所があり、研究目的や対象に応じて適切な手法を選択することが重要です。網羅的なプロテオミクス解析は膨大なデータが得られますが、どのPTMが機能的に重要であるかを特定するためには、その後の機能解析（例：変異体を用いた研究、酵素活性測定）が不可欠です。

考察と今後の展望

HIITによるタンパク質の翻訳後修飾、特にリン酸化とアセチル化の研究は、運動による細胞応答の根源的なメカニズムを理解する上で非常に重要です。これらのPTMsは、HIITが誘導するエネルギー代謝、ミトコンドリア機能、筋構造、シグナル伝達、遺伝子発現といった多様な生理的適応を統合的に制御するハブとして機能していると考えられます。

現在の研究では、HIITプロトコルの具体的な違い（運動強度、インターバル時間、休息時間、セット数など）が、どのPTMsを、どのような時間経過で、どの程度変化させるのかについて、まだ詳細な知見が限られています。また、これらのPTMs応答が個体差（応答者・非応答者問題）や、年齢、性別、トレーニング状態、あるいは病態（例：糖尿病、心血管疾患）によってどのように異なるのかを解明することは、基礎研究としても応用研究としても非常に重要です。

今後の研究では、以下のような点が重要な課題となると考えられます。

網羅的解析の深化と統合: リン酸化プロテオミクス、アセチル化プロテオミクスだけでなく、ユビキチン化やその他のPTMs解析、さらにトランスクリプトミクスやメタボロミクスといった他のオミクスデータを統合的に解析し、HIIT応答の複雑なネットワークをモデル化すること。
部位特異的機能解析: 同一タンパク質上の異なるPTM部位が、それぞれ異なる機能やシグナル伝達にどのように寄与するのかを、部位特異的な変異体を用いた研究などで詳細に解析すること。
時間軸解析とin vivo検証: 運動中、運動直後、回復期など、様々な時間ポイントでのPTMs動態を解析し、運動後の回復プロセスにおけるPTMsの役割を明らかにすること。また、細胞培養系だけでなく、動物モデルやヒト生体におけるPTMsの機能的な意義を、遺伝学的あるいは薬理学的な手法を用いて検証すること。
応用への展開: 病態モデルにおけるHIITの効果をPTMsの観点から解析し、特定のPTMsを標的とした治療戦略や、運動効果を高めるための栄養・薬理学的介入の可能性を探求すること。

これらの研究が進むことで、HIITによる生理的適応の分子基盤がより明確になり、個々人に最適化された運動処方の開発や、運動療法による疾患予防・治療への応用が進展することが期待されます。

結論

高強度インターバルトレーニング（HIIT）は、骨格筋や心筋において、タンパク質のリン酸化やアセチル化といった翻訳後修飾（PTMs）をダイナミックに変化させます。これらのPTMsは、AMPKやMAPKといった主要なシグナル伝達経路の下流で、エネルギー代謝、ミトコンドリア機能、遺伝子発現など、多様な細胞応答を調節する中心的なメカニズムとして機能していることが最新の研究によって明らかになっています。リン酸化プロテオミクスやアセチル化プロテオミクスなどの網羅的な解析手法は、HIIT応答に関わる新たなPTMsターゲットを同定し、その複雑な分子ネットワークの解明に貢献しています。

一方で、PTMs間のクロストーク、運動プロトコルの違いによる影響、個体差、そして病態におけるPTMs応答の詳細など、未解明な点も多く残されています。今後の研究では、マルチオミクス解析の統合や部位特異的な機能解析などが、HIITによる生理的適応の全体像を明らかにし、運動科学と健康科学の発展に寄与することが期待されます。