Во время космических полетов люди подвергаются воздействию микрогравитационных факторов, которые приводят к атрофии мышц и снижению силы вследствие разгрузки, что сказывается на их движении и работоспособности. Развитие скелетной мышцы - это высокорегулируемый, многоступенчатый процесс, в котором плюрипотентные мезодермальные клетки приводят к образованию миобластов, которые впоследствии выводятся из клеточного цикла и дифференцируются в миотрубки. Пластичность миобластов играет важную роль в поддержании скелетной мышечной массы, структуры и функционирования. Влияние микрогравитации на активацию миобласти, миграцию, адгезию, дифференцировку и образование миотрубок может привести к потере мышечной массы и снижению силы сжатия, наблюдаемой при разгруженной атрофии мышц.
Уже давно считается, что клетки миобластной мускулатуры взрослых людей привержены миогенной линии, способной либо самовосстанавливаться, либо дифференцироваться в миотрубки, образующие ядро взрослого человека. Судьба миобластов в решающей степени зависит от миогенных регуляторных факторов (MRFs) MyoD, Myf5, миогенин и Mrf4, каждый из которых играет четко определенную роль в организации развития и дифференциации скелетных мышц. Исследования с использованием генетического таргетирования у мышей продемонстрировали важную роль MRFs. Например, двойные мутанты без MyoD и Myf5 не развивают скелетные мышечные волокна, а регионы формирования мышц, похоже, лишены миобластов. Этот фенотип предполагает, что Myf5 или MyoD необходим для приверженности клеток миогенному происхождению. Гомозиготные мыши для целенаправленных мутаций в гене миогенина демонстрируют резкое снижение мышечной массы скелета при нормальном количестве миобластов, которые задерживаются в их терминальной дифференцировочной программе. Нулевые мутантные мыши Mrf4 также показали дефект аксиального миогенеза и образование реберного рисунка. Эти MRFs контролировать приверженность миобласти и дифференциации путем регулирования транскрипции генов путем связывания с элементами ДНК, специфичными для последовательности (например, E-boxes и CANNTG) в промоторных областях мышечных генов. Миогенез регулируется рядом факторов как из внеклеточной, так и внутриклеточной микроокружности.
Предыдущие исследования показали, что пластичность миобластей регулируется локальным гипоксическим микроокружением, специфическими miRNA и различными регуляторными факторами (такими как IL-6 суперсемейные факторы интерлейкина-6 (IL-6), лейкемический тормозной фактор (LIF) и цилиарный нейротрофический фактор (CNTF)) и трансформирующий фактор роста (TGF)-β1. Мы определили miR-24 как miRNA, которая участвует в TGF-β1-опосредованно торможение дифференциации скелетных мышц. TGF-β ингибирует экспрессию miR-24 на транскрипционном уровне и его роль зависит от SMAD3. Мы также показали, что гипоксия (3% O2) ингибирует дифференциацию как линии миобластных клеток мыши C2C12, так и первичных миобластов. Кроме того, мы наблюдали индуцированное гипоксией торможение экспрессии MyoD, Myf5 и миогенина в миобластах, которое, по нашему мнению, может быть связано с гипоксией, индуцированным торможением активности ERK1/2. Целью данного обзора является обобщение результатов наших предыдущих исследований, посвященных роли регуляции CNTF пластичности миобластной ткани и мышечной атрофии, индуцированной разгрузкой задних конечностей (HU).
CNTF и пластичность миобласти
CNTF принадлежит к семейству цитокинов IL-6 и первоначально была идентифицирована по ее способности поддерживать выживаемость парасимпатических нейронов цилиарной ганглии цыплят in vitro. Впоследствии было установлено, что деятельность CNTF играет важную роль в регулировании многих других процессов в нервной системе, включая пролиферацию нейронных стволовых клеток и глиогенез, а также дифференцировку стержней сетчатки глаза. CNTF может также снижать содержание жира в организме и является регулятором мышечной силы в процессе старения. Клеточные реакции на цитокины типов CNTF и IL-6 вызываются различными мультиунитарными рецепторными комплексами (рецепторы CNTF a (CNTFRa), гликопротеин (gp130) и рецептор лейкемий, ингибирующий фактор (LIFR)). Привязка CNTFF к CNTFRa вызывает гетеродимеризацию сигнала преобразователей β-рецепторов gp130 и LIFR, что приводит к срабатыванию внутриклеточных сигнальных каскадов. Недавние исследования показали, что CNTFRs локализованы преимущественно в нервной ткани, но также относительно высоко выражены в денервированных скелетных мышц, где CNTF оказывает миотрофическое воздействие.
Мы обнаружили, что семейство цитокинов IL-6 (IL-6, LIF и CNTF) играет важную роль в регулировании пластичности распространения, дифференциации и дедифференцировки миобластов, а также в защите скелетных мышц от атрофии и миофибропереходов, вызываемых HU. Кроме того, цитокины IL-6/LIF/CNTF способствовали росту миобласти у взрослого человека, а некоторые дозы LIF или CNTF препятствовали миогенной дифференциации. Миобласты, полученные из скелетной мышцы взрослого человека, могут быть индуцированы CNTF с помощью p44/p42 митоген-активированной белковой киназы (MAPK) путем дедифференцировки in vitro в мультипотентные прогенторные клетки (известные как миобласт-прогениторные клетки, или MBPCs). Эти MBPC могут дифференцироваться в клетки, экспрессирующие специфические для нейронов маркеры (такие как нейрофиламент-160 (NF160), тирозиновая гидроксилаза (TH), нейроспецифическая энолаза (NSE) и холин-ацетилтрансфераза (чат)) или глиальные линии (2',3'-циклический нуклеотид 3'-фибриллятор (CNP) при культивировании белков G или CNP) (неврологическая кислота). При культивировании в адипогенной дифференцировочной среде MBPC могут генерировать клетки, характеризующиеся типичной морфологией адипоцитов и многочисленными вакуолями, окрашенными в ярко-оранжевый цвет с помощью Oil Red O, нескольких гладкомышечных клеток, выражающих актин (SMA) и миотубы, вырабатывающие миозин.
Таким образом, CNTF может регулировать судьбу миобластов, поскольку она может как подавлять миогенную дифференциацию миобластов в многоядерные миотрубки, так и стимулировать дедифференцировку миобластов в MBPCs Мы использовали модель HU мыши для моделирования невесомости и стимулирования незагруженной атрофии мышц. Наши результаты показали, что лечение CNTF in vivo заметно ослабило атрофию мышц и переход медленного переключения в миофибры, а также увеличило количество клеток - предшественников миобластов за счет регуляции экспрессии p130 и Myf5. Эти результаты показывают, что CNTF может защитить скелетные мышцы от атрофии без нагрузки и от изменения типа миофибры за счет увеличения пула клеток-спутников.
В целом, хотя предыдущие исследования показали, что миобластная пластичность и разгруженная атрофия мышц могут модулироваться CNTF, знания о более глубоких молекулярных механизмах все еще ограничены. Необходима дальнейшая работа по определению путей модуляции пластичности миобластов и разгруженной мышечной атрофии, чтобы лучше понять, как эти сигналы интегрируются для поддержки процесса миогенеза. Благодаря всестороннему применению генетических, биологических, клеточных и геномных методов исследования в этой области, вероятно, в ближайшие годы будут значительно ускорены, и полученные результаты будут способствовать определению характеристик этого процесса и выработке новых стратегий лечения дегенеративных заболеваний скелетной мышцы, а также профилактики и лечения атрофии скелетной мышцы во время космических полетов.