Abstract:

Sialic acids are monosaccharides found in terminal sugar chains of cell surfaces and proteins; they have various biological functions and have been implicated in health and disease. Genetic defects of the GNE gene which encodes a critical bifunctional enzyme for sialic acid biosynthesis, lead to GNE myopathy, a disease manifesting with progressive muscle atrophy and weakness. The likely mechanism of disease is a lack of sialic acids. There remains, however, an unexplained link between hyposialylation and the muscle atrophy and weakness. In this study, we found that muscle proteins were highly modified by S-nitrosylation, and that oxidative stress-responsive genes were significantly upregulated, in hyposialylated muscles from human GNE myopathy patients and model mice. In both in vitro and in vivo models, the production of reactive oxygen species (ROS) was elevated with cellular hyposialylation, and increasing overall sialylation by extrinsic sialic acid intake reduced ROS and protein S-nitrosylation. More importantly, the antioxidant, oral N-acetylcysteine led to amelioration of the muscle atrophy and weakness in Gne mutant mice. Our data provide evidence of additional important function of sialic acids as a ROS scavenger in skeletal muscles, expanding our understanding on how sialic acid deficiency contributes to disease pathology, and identify oxidative stress as a therapeutic target in GNE myopathy.

日本語要旨:

シアル酸は細胞表面やタンパク質の糖鎖の末端において見つけられた単糖類で、様々な生物学的機能を持ち、健康や疾病に関与している。シアル酸生合成のために重要な二元機能酵素をコードするGNE遺伝子の異常は、進行性の筋萎縮や筋力低下を呈し、GNEミオパチーを引き起こす。当疾患のメカニズムは、シアル酸の欠損と考えられるが、筋萎縮や筋力低下との関係は証明されていない。本研究において、筋タンパクはS—ニトロシル化により高度に修飾され、GNEミオパチーの患者やマウスの低シアル化筋において、その酸化ストレス反応性の遺伝子は有意に調節された。in vitroでもin vivoのどちらでも、活性酸素種(ROS) の生成により細胞の低シアル化が亢進し、外因性のシアル酸摂取により総シアル化が増加することで、ROSや蛋白のS-ニトロシル化を減らした。さらに重要なことは、抗酸化物質であるN-アセチルシステインの経口摂取により、GNE変異マウスの筋萎縮や筋力低下を改善へと導いた。今回のデータにより、骨格筋においてROSスカベンジャーとしてのシアル酸の重要な付加的機能の証拠を示し、シアル酸の欠損が病因にどのように関係しているか理解するのに役立ち、GNEミオパチーにおける治療ターゲットとして酸化ストレスを同定した。