Посещений: 
Сателлитные (Скелетно-мышечные стволовые) клетки
Роль передачи сигналов FGF
Regulation of skeletal muscle stem cells by fibroblast growth factors Bradley Pawlikowski, Thomas Orion Vogler, Katherine Gadek,Bradley B. Olwin
 Developmental Dynamics 246:359-367, 2017.
|
Fibroblast growth factors (FGFs) are essential for self-renewal of skeletal muscle stem cells (satellite cells) and required for maintenance and repair of skeletal muscle. Satellite cells express high levels of FGF receptors 1 and 4, low levels of FGF receptor 3, and little or no detectable FGF receptor 2. Of the multiple FGFs that influence satellite cell function in culture, FGF2 and FGF6 are the only members that regulate satellite cell function in vivo by activating ERK MAPK, p38α/β MAPKs, PI3 kinase, PLCγ and STATs. Regulation of FGF signaling is complex in satellite cells, requiring Syndecan-4, a heparan sulfate proteoglycan, as well as β1-integrin and fibronectin. During aging, reduced responsiveness to FGF diminishes satellite cell self-renewal, leading to impaired skeletal muscle regeneration and depletion of satellite cells. Mislocalization of β1-integrin, reductions in fibronectin, and alterations in heparan sulfate content all contribute to reduced FGF responsiveness in satellite cells. How these cell surface proteins regulate satellite cell self-renewal is incompletely understood. Here we summarize the current knowledge, highlighting the role(s) for FGF signaling in skeletal muscle regeneration, satellite cell behavior, and age-induced muscle wasting.
|
22 эволюционно законсервированных членов семейства fibroblast growth factor (FGF) выполняют фундаментальные роли в эмбриональном развитии, тканевом гомеостазе, репарации повреждений, метаболизме и болезнях. 18 канонических членов семейтсва FGF активируют одну из 4-х FGF рецепторных (FGFR) трансмембранных тирозин киназ. 14 из канонических FGFs действуют как аутокринные или паракринные факторы и нуждаются в heparan sulfate в качестве ко-фактора. Дп. 4 FGFs функционируют как эндокринные гомоны, не соединяются с heparan sulfate и не нуждаются в трансмембранном белке Klotho в качестве ко-рецептора. 4 FGFs классифицируются как неканонические, поскольку они не секретируются, а функционируют внутриклеточно (Brewer et al, 2016; Belov and Mohammadi, 2013; and Ornitz and Itoh, 2015).
Satellite Cells and Skeletal Muscle Regeneration
Скелетные мышцы состоят из пучков длинных, многоядерных, пост-митотических миофибрилл, которые специализируются на генерации сократительных сил. Мышечные стволовые клетки взрослых, наз. сателлитными клетками, репарируют и поддерживают постмитотическую скелетную мышечную ткань. Удивительная способность скелетных мышц динамически изменять размер в ответ на физиологические изменения, также зависит от сателлитных клеток (Fig. 1) (Murphy et al, 2011; Lepper et al, 2011). В не поврежденных мышцах сателлитные клетки располагаются на поверхности индивидуальных миофибрилл и окружены базальной ламиной, составляют приблизительно 1% от всех ядер в скелетных мышцах (Yin et al, 2013). Большинство сателлитных клеток в не поврежденных мышцах находятся в покое, тогда как небольшая часть (2%-5%) активна и поддерживает скелетную мускулатуру взрослых (Pawlikowski et al, 2015; Keefe et al, 2015). После индукции мышечного повреждения in vivo сателлитные клетки активируются и снова вступают в клеточный цикл спустя примерно 24-36 ч (Webster et al, 2016). У мышей сателлитные клетки умножаются примерно в течение 96 ч после повреждения, увеличивая свое число более, чем в 10 раз (Murphy et al, 2011; Webster et al, 2016), при этом большая часть популяции дифференцируeтся и сливается, регенерируя миофибриллы. Небольшая популяция избегает терминальной дифференцировки и возвращается в покоящееся состояние, возобновляя пул стволовых клеток (Dumont et al, 2015a). Деградация функции сателлитных клеток вносит вклад в потерю мышечной функции при мышечной дистрофии, при вызванной раком кахексии и вызванным возрастом мышечном истощении (Bernet et al, 2014; Cosgrove et al, 2014; Sacco et al, 2010; Dumont et al, 2015b; He et al, 2013).
Figure 1.
Satellite cells enable muscle regeneration. Following injury, satellite cells exit quiescence and divide either to expand as myoblasts or to self-renew. Self-renewal occurs by asymmetric division producing one quiescent daughter and one myoblast daughter. Activated satellite cells proliferate as myoblasts, eventually differentiating, while a subset will undergo self-renewal and return to quiescence as satellite cells. FGF represses terminal myogenic differentiation and can promote asymmetric division.
FGF Expression in Satellite Cells and Skeletal Muscle Regeneration
Из 18 паракринных FGFs, mRNA 4-х обнаруживается в сателлитных клетках (FGF1, FGF2, FGF4 и FGF6) и может стимулировать умножение культивируемых сателлитных клеток stimulate expansion of cultured satellite cells (Sheehan and Allen 1999; Hannon et al, 1996; Kastner et al, 2000). FGF1 и FGF4 экспрессируются в развивающихся мышцах и могут быть обнаружены в культурах изолированных индивидуальных мышечных волокон, но ни один не обнаруживается с легкостью in vivo в неповрежденной скелетно-мышечной ткани (Conte et al, 2009; Niswander and Martin, 1992; Kastner et al, 2000). FGF1 обнаруживается в скелетных мышцах взрослых после индукции мышечного повреждения, но его роль в регенерации мышц или функции сателлитных клеток неизвестна (Conte et al, 2009). FGF2 и FGF6 обнаруживаются внедренными во внеклеточный матрикс и базальную ламину неповрежденных скелетных мышечных тканей (DiMario et al, 1989), они участвуют в регенерации скелетных мышц.
FGF2, который может быть доступен сателлитным клеткам, продуцируется миофибриллами (Anderson et al, 1995; Chakkalakal et al, 2012), сателлитными клетками (Hannon et al, 1996) и фибробластами (Rao et al, 2013). Однако, относительный вклад каждого типа клеток связанного с матриксом FGF2 трудно определить. Часто сообщается как о митогене сателлитных клеток, поскольку FGF2 обеспечивает пролиферацию сателлитных клеток путем репрессии миогенеза (Olwin and Hauschka 1986; Yablonka-Reuveni et al, 2015), но не может стимулировать клеточные деления в отсутствие сыворотки (Clegg et al, 1987; Kudla et al, 1998). Во время регенерации мышц экспрессия FGF2 увеличивается (Anderson et al, 1995), это сопровождается повышением уровней FGF2 в регенерирующих дистрофичных мышцах (DiMario et al, 1989).Экзогенный FGF2 усиливает регенерацию мышц у дистрофичных мышей (Lefaucheur and Sebille, 1995a), но не обнаруживается существенных фенотипических отклонений скелетных мышц у FGF2-нулевых мышей (Zhou et al, 1998), несмотря на наблюдение, что доставка антител, блокирующих FGF, нарушает регенерацию мышц после раздавливания ткани (Lefaucheur and Sebille, 1995b). Т.о., связанный с матриксом FGF2, в противоположность вновь синтезированному FGF2, скорее всего, регулирует поведение сателлитных клеток.
Экспрессия FGF6 может быть обнаружена в изолированных миофибриллах (Kastner et al, 2000) в эмбриональных и скелетных мышцах взрослых (Han and Martin 1993; deLapeyriere et al, 1993). У взрослых мышей FGF6 продуцируется быстро сокращающимися волокнами, а экспрессия FGF6 увеличивается после повреждений (Floss et al, 1997). Действительно ли FGF6 играет роль в регенерации скелетных мышц, неясно из-за противоречивых результатов. В одном сообщении регенерация мышц была нарушена и умножение сателлитных клеток снижалось у мышей, лишенных FGF6 (Floss et al, 1997), тогда как в др. сообщении не обнаружено фенотипических отклонений в скелетных мышцах у FGF6-нулевых мышей (Fiore et al, 2000). Недавно фенотипические отклонения в регенерации скелетных мышц снова были описаны у FGF6-нулевых мышей, подтвердив участие FGF6 в регенерации (Armand et al, 2005). Генетическая делеция FGF2 и FGF6 у mdx мышей, моделирующих Duchenne Muscular Dystrophy (Grahame Bulfield et al, 1984), снова подтвердила роль FGF6 в регенерации мышц, поскольку дистрофические фенотипы были более тяжелыми у fgf2/fgf6/mdx тройных мутантных мышей по сравнению с mdx мышами (Neuhaus et al, 2003).
FGFR Expression in Satellite Cells and Skeletal Muscle
Среди 4-х FGFRs, сателлитные клетки преимущественно экспрессируют FGFR1 и FGFR4, при этом FGFR2 и FGFR3 экспрессируются на низких уровнях (Cornelison et al, 2001; Yablonka-Reuveni et al, 2015). Каждый FGFR обладает внеклеточным доменом, содержащим три immunoglobulin-подобных домена, трансмембранный домен и внутриклеточный домен с расщепляющим тирозин киназным доменом (Eswarakumar et al, 2005). Внеклеточные домены FGFR1, FGFR2 и FGFR3 подвергаются альтернативному сплайсингу, при этом один вариант сплайсинга внутри третьего иммуноглобулинового домена создает FGFR изоформы IIIb и IIIc (Belov and Mohammadi, 2013; Ornitz and Itoh, 2015). Сплайс-изоформа FGFR IIIb экспрессируется преимущественно в эпителии, тогда как изоформа IIIc экспрессируется в мезенхимных тканях. Альтернативный сплайсинг третьего иммуноглобулинового домена ответственен за FGF специфичность (Belov and Mohammadi, 2013; Ornitz and Itoh, 2015). Поскольку превалируют FGFRs в сателлитных клетках, то FGFR1 и FGFR4 трансдуцируют внутриклеточные сигналы, при этом тирозин киназная активность и индукция нижестоящих мишеней с помощью FGFR4 снижается по сравнению с др. тремя FGFRs (Wang et al, 1994; Vainikka et al, 1994; Kwiatkowski et al, 2008; Shaoul et al, 1995).
Определение относительного вклада индивидуальных FGFRs в функцию сателлитных клеток затруднительно из-за экспрессии множественных FGFRs, которые перекрываясь активируют множественные внутриклеточные пути передачи сигналов. Поэтому не удивительно, что кондиционные делеции FGFR1 в сателлитных клетках или при нокауте FGFR4 продуцируют лишь слегка отличимые фенотипические отклонения (Yablonka-Reuveni et al, 2015; Weinstein et al, 1998; Zhao et al, 2006). Однако, потеря передачи сигналов всех FGFR или за счет добавления FGFR ингибитора (Bernet et al, 2014) или за счет экспрессии доминантно негативного FGFR мутанта в культуре и in vivo (Flanagan-Steet et al, 2000) способствует окончательной дифференцировке сателлитных клеток и снижают мышечную массу, соотв. Т.о., передача сигналов FGF, по-видимому, играет критическую роль в функции сателлитных клеток, но вклад индивидуальных FGFRs пока не установлен.
Co-factors and Extracellular Modulation of FGFR Activation
Соединение FGF с FGFR и последующая активация рецепторов для трансдукции внутриклеточных сигналов нуждаются в тройном взаимодействии между FGF, или heparan sulfate или Klotho, и в соотв. FGFR, стабилизирующим комплекс и способствующих активации рецептора с помощью ауто-фосфорилирования домена активации FGFR (Fig. 2) (Ornitz and Itoh, 2015). Heparan sulfate протеогликаны присутствуют на сателлитных клетках и необходимы для FGF паракринной активации FGFRs (Rapraeger et al, 1991; Cornelison et al, 2001; Cornelison et al, 2004). Хотя белки Klotho необходимы для эндокринных FGFs, чтобы активировать FGFRs, экспрессия Klotho трансмембранных белков не обнаруживается в сателлитных клетках и не сообщается о специфической роли Klotho в регуляции клеточного поведения сателлитных клеток (Phelps et al, 2013). Heparan sulfate сульфатирует glycosaminoglycan содержащие повторяющиеся дисахаридные единицы, которые обладают разными уровнями сульфатирования, что предопределяет специфичность и сродство FGFs к FGFRs (Matsuo and Kimura-Yoshida, 2013). Некоторые heparan sulfate протеогликаны экспрессируются в ткани скелетных мышц, включая трансмембранные syndecans, glycophosphatidyl-linked glypicans, внеклеточный perlecan и др., включая agrin и biglycan (Lin 2004; Brandan and Gutierrez 2013). Heparan sulfates на протеогликанах могут или негативно или позитивно регулировать функцию ростового фактора путем участия в качестве ко-рецепторов, резервуаров для хранения или транспортёров (Rapraeger et al, 1991; Yayon et al, 1991; Allen et al, 2001; Cornelison et al, 2004; Asada et al, 2009; Xu et al, 2012; Belov and Mohammadi, 2013; Guti?rrez and Brandan, 2010; Pisconti et al, 2016).
Figure 2.
FGF signaling in satellite cells. Activation of p38α/β MAPK in satellite cells promotes exit from quiescence, is required for cell cycle entry, and, when asymmetrically activated, promotes self-renewal via asymmetric division. Although most FGF signaling is transduced via adaptor proteins (FRS2 and CRKL) that are phosphorylated upon activation of FGFRs, the mechanisms involved in p38α/β MAPK activation are not yet understood (dotted lines), whereas ERK MAPK activation is better characterized. FGF-induced activation of ERK MAPK is potentiated by the presence of 1-integrin and fibronectin, demonstrating that FGF signaling in satellite cells is complex, requiring multiple extracellular and transmembrane proteins, as deletion of either Syndecan-4, Syndecan-3, integrins, or fibronectin alters FGF-induced signaling and affects satellite cell behavior. Специфические роли, идентифицированные для heparan sulfate протеогликанов в сателлитных клетках, включают потребность Syndecan-4 для передачи сигналов FGF, передачи сигналов hepatocyte growth factor (HGF) и активации сателлитных клеток (Cornelison et al, 2004); способность Syndecan-3 ослаблять передачу сигналов FGF и HGF (Cornelison et al, 2004) и роль Glypican-1 усиливать дифференцировку путем секвестрации FGF2 (Guti?rrez and Brandan, 2010). Потеря Syndecan-3 в сателлитных клетках предупреждает самообновление и повторное заселение сателлитными клетками своих ниш, поддержание пула активированных, пролиферирующих клеток, которые в основном ослабляют мышечную дистрофию у mdx мышей (Pisconti et al, 2016).
В добавление к heparan sulfate протеогликанам, integrins и fibronectin модулируют передачу сигналов FGF в сателлитных клетках (Rozo et al, 2016). Сателлитные клетки, отвечающие на FGF, оказываются под угрозой, когда β1-integrin уменьшен или отсутствует, тогда как усиление передачи сигналов β1-integrin устраняет потерю чувствительности к FGF в сателлитных клетках у старых мышей (Rozo et al, 2016). Fibronectin усиливает активацию с помощью FGF ERK MAPK в сателлитных клетках (Lukjanenko et al, 2016), тогда как Syndecan-4 может регулировать уровни на клеточной поверхности FGFRs и интегринов в сателлитных клетках, т.к. он действует в эндотелиальных клетках и фибробластах (Elfenbein et al, 2012; Morgan et al, 2013). Регуляция передачи сигналов FGF является сложной, с участием доступности FGF, ко-рецепторов и дополнительных белков клеточной поверхности. Внутриклеточные сигналы, вызываемые активацией FGFR, скорее всего, контекстуально зависят, т.е. предопределяются в зависимости от содержимого белковых комплексов, включая FGFRs.
FGFR Signaling Overview
Ряд самостоятельных внутриклеточных сигнальных путей активируется в ответ на использование FGFR с FGF, включая p38α/β MAPK, ERK MAPK, PI3 kinase, и Akt; активацию STAT; и стимуляцию передачи сигналов phospholipase C gamma/protein kinase C (Fig. 2) (Ornitz and Itoh, 2015; Brewer et al, 2016).Зависимая от FGF активация путей MAPK и PI3 прежде всего зависит от фосфорилирования с помощью FGFR FRS2 (FGFR substrate 2), связанного с мембраной адапторного белка, который рекрутирует Shp2 и Grb2-SOS (Brewer et al, 2015). Crk или CrkL, лр. адапторный белок фосфорилируется с помощью FGFR, активирует Rac1 и Cdc42 и также усиливает фосфорилирование FRS2, способствуя активации ERK (Feller 2001; Larsson et al, 1999; Seo et al, 2009). Cdc42 ещё больше способствовать активации MAPK ERK и активации p38α/β MAPK. И phospholipase C, и STATs соединяются с и непосредственно активируются с помощью FGFRs (Brewer et al, 2016). Роль этих FGF-индуцированных сигналов в сателлитных клетках представлена ниже.
FGFR Activation of p38α/β MAPK
Активация с помощью FGF p38α/&beta MAPK в сателлитных клетках (Bernet et al, 2014; Jones et al, 2005) происходит благодаря пока не установленному пути передачи сигналов, но может использовать Rac1 или Cdc42 (Fig. 2). Активация p38α/&beta MAPK необходима для активации сателлитных клеток, индукции MyoD, вступления в клеточный цикл (Jones et al, 2005) и, парадоксально, для окончательной дифференцировки (Segal?s et al, 2016; Perdiguero et al, 2007b; Perdiguero et al, 2007a). Как p38α/&beta MAPK регулирует столь разнообразные клеточные функции, неясно, но степень фосфорилирования p38α/&beta MAPK значительно выше во время терминальной дифференцировки, чем в время активации и пролиферации сателлитных клеток (Jones et al, 2005). Более того, фосфорилированная 38α/&beta MAPK является цитоплазматической при активации и пролиферации сателлитных клеток (Jones et al, 2005; Troy et al, 2012) и является ядерной во время окончательной дифференцировки (Segal?s et al, 2016). Степень фосфорилирования и цитоплазматической локализации p38α/&beta , скорее всего, вносит вклад в разные сигналы, вызываемые с помощью MAPK. Цитоплазматическая p38α/&beta MAPK фосфорилирует tristetraprolin, регулятор распада мРНК, что способствует быстрой активации мРНК MyoD и накоплению белка MyoD (Hausburg et al, 2015). Асимметрия активации p38α/&beta MAPK во время клеточных делений ингибирует функцию в одной презумптивной дочерней клетке, делая возможной индукцию MyoD, тогда как др. дочерняя клетка вновь приобретает пассивное состояние, происходит самообновление сателлитных стволовых клеток (Troy et al, 2012; Hausburg et al, 2015). Посольку phospho-p38α/&beta MAPK способствует миогенной детерминации, то ингибирование p38α/&beta MAPK улучшает трансплантации сателлитных клеток (Quarta et al, 2016; Charville et al, 2015) и частично восстанавливает самообновление сателлитных клеток у старых мышей (Bernet et al, 2014; Cosgrove et al, 2014). Выявление механизмов, участвующих с помощью FGFR в стимуляции фосфорилирования p38α/&beta MAPK позволяет понять функции p38α/&beta MAPK и сигналы, которые регулируют субклеточной локализацией p38α/&beta MAPK.
FGFR Activation of ERK MAPK
Передача сигналов FGF активирует ERK MAPK в сателлитных клетках (Shaoul et al, 1995; Jones et al, 2001); однако, FGF активации ERK MAPK недостаточно для экспансии сателлитных клеток и реа не репрессирует миогенез (Jones et al, 2001). FGF-стимулированная ERK MAPK необходима для пролиферации, поскольку ERK MAPK способствует переходу от G1 к S фазе (Jones et al, 2001), повышая cyclin D (Keshet and Seger, 2010), и снижая экспрессию p21 в сателлитных клетках от старых мышей (Li et al, 2015). Сигнальные события ниже активации FGFR, необходимые для стимуляции ERK MAPK, скорее всего, нуждаются в Grb2 и PKC, т.к. нокдаун этих сигнальных промежуточных звеньев в C2C12 линии клеток миобластов нарушает активацию с помощью FGF ERK MAPK (Nagata et al, 2010). Активация ERK MAPK с помощью FGF происходит посредством ряда разных внутриклеточных путей, но может ли активация ERK MAPK с помощью разных путей вызывать разные клеточные реакции, пока не изучено.
FGFR Activation of PI3 Kinase/AKT, PLCγ/PKC and STATs
Функциональные вклады активации PI3 kinase, активации PLCγ или активации STAT с помощью FGFR в сателлитных клетках остаются в основном неизучены. Активация PLCγ с помощью FGFR ведет к продукции inositol triphosphate (IP3) и diacylglyecerol (DAG), активации protein kinase C (PKC). Добавление FGF к культивируемым сателлитным клеткам стимулирует фосфорилирование PKC (Nagata et al, 2010), а ингибирование PKC снижает пролиферацию сателлитных клеток (Jump et al, 2009) и может вызывать complement активацию ERK MAPK пути. Хотя активация с помощью FGF киназы PI3 хорошо известна (Brewer et al, 2015) и активация с помощью PI3 киназы AKT способствует пролиферации сателлитных клеток (Chakravarthy et al, 2000), Активация PI3 киназы с помощью FGF в сателлитных клетках не была изучена. Активированные FGFRs фосфорилируют STATs, это делает возможно их транслокацию в ядро, чтобы регулировать экспрессию генов (Ornitz and Itoh, 2015). Добавление FGF к сателлитным клеткам вызывает фосфорилирование STAT (Megeney et al, 1996), способствуя экспансии сателлитных клеток и способствуя мышечной регенерации (Price et al, 2014; Tierney et al, 2014), хотя имеются противоречия относительно функции STAT в сателлитных клетках (Zhu et al, 2016). Функция активации MAPK с помощью передачи сигналов FGFR была изучена, но всесторонний анализ др. FGF-зависимых сигнальных путей в сателлитных клетках заслуживает дополнительного внимания, чтобы понять сложную роль FGFsв биологии сателлитных клеток .
Inhibitors of FGF Signaling in Satellite Cells
Дефосфорилирование MAPKs с помощью MAP kinase phosphatases (MPKs) или фосфатаз с двойной специфичностью ингибирует ферментативную активность MAPK (Caunt and Keyse, 2013). Хотя MKP1, MKP3 и MKP5 регулируют поведение сателлитных клеток и регенерацию мышц (Shi et al, 2013; Shi et al, 2010; Wales et al, 2014), мишени для MPK3, которые негативно регулирую передачу сигналов FGF, неизвестны (Li et al, 2007; Ekerot et al, 2008), хотя непосредственная роль ингибирования MKP для передачи сигналов ERK MAPK или передачи сигналов p38α/&beta MAPK установлена.
Sprouty1, ингибитор FGFR, vascular endothelial cell growth factor рецептор, platelet-derived cell growth factor рецептор и epidermal cell-derived growth factor рецептор (Cabrita and Christofori, 2008), экспрессируются в покоящихся сателлитных клетках и быстро снижаются после активации сателлитных клеток (Shea et al, 2010). Кондиционная делеция Sprouty1 в сателлитных клетках нарушает самообновление, тогда как избыточная экспрессия Sprouty1 блокирует активацию ERK MAPK в культивируемых сателлитных клетках (de Alvaro et al, 2005; Shea et al, 2010). Экспрессия Sprouty1 снижается в сателлитных клетках от старых мышей, внося вклад в связанный с возрастом дефицит функции сателлитных клеток (Chakkalakal et al, 2012). Негативная регуляция передачи сигналов FGF в сателлитных клетках пока недостаточно изучена, она, по-видимому, связана критической регуляторной обратной связью с тонкой настройкой поведения сателлитных клеток, гарантирующей адекватные реакции сателлитных клеток, чтобы поддерживать и регенерировать скелетные мышцы.
FGF Signaling in Aged Satellite Cells and Age-induced Muscle Wasting
Количество сателлитных клеток снижается при старении, при этом уменьшение количества и функции сателлитных клеток коррелирует с изнашиваемостью мышц, плохо понятны и неподдающиеся изучению процессы. ведущие к sarcopenia (Garber 2016). Хотя механизмы. которые приводят к sarcopenia изучены недостаточно (Fry et al, 2014; Piccirillo et al, 2014), связанные с возрастом нарушения скелетных мышц возникают частично в результате потери сателлитных клеток и их дисфункции (Collins et al, 2007; Shefer et al, 2006; Chakkalakal et al, 2012; Bernet et al, 2014; Cosgrove et al, 2014; Price et al, 2014; Tierney et al, 2014), при которых наблюдаются дефекты передачи сигналов FGF (Chakkalakal et al, 2012; Bernet et al, 2014; Ghadiali et al, 2016).
Потеря чувствительности к FGF2 в сателлитных клетках по мере старения мышц (Yablonka-Reuveni et al, 1999; Shefer et al, 2006; Bernet et al, 2014) коррелирует со снижением самообновления и одновременным увеличением дифференцировки сателлитных клеток (Bernet et al, 2014; Chakkalakal et al, 2012). У старых мышей продукция FGF2 миофибриллами скелетных мышц повышена, вообще-то для компенсации уменьшения чувствительности к FGF2 сателлитных клеток, наблюдаемой in vivo (Chakkalakal et al, 2012; Li et al, 2015) и in vitro (Yablonka-Reuveni et al, 1999; Shefer et al, 2006; Bernet et al, 2014). Повышение передачи сигналов p38α/&beta MAPK сопровождается потерей чувствительности к FGF в сателлитных клетках старых мышей, это способствует окончательной дифференцировке и снижению самообновления за счет увеличения MyoD в обеих дочерних клетках (Bernet et al, 2014; Cosgrove et al, 2014). Снижение активности p38α/&beta MAPK приводит к пропуску асимметричных делений и частичному восстановлению сателлитных клеток у страых мышей, что согласуется с идеей, что повышенные уровни фосфорилированных p38α/&beta MAPK насыщают способность сателлитных клеток асимметрично активировать p38α/&beta MAPK и асимметрично индуцировать MyoD (Bernet et al, 2014).
Неожиданно, эктопическая активация FGFR1 частично восстанавливала самообновление сателлитных клеток от старых мышей и это сопровождалось асимметричной локализацией phospho-p38α/&beta MAPK (Bernet et al, 2014). Эктопически активированные phospho-FGFR1, по-видимому, асимметричны и поэтому локализация активированного FGFR1 может участвовать в организации асимметрии в делящихся сателлитных клетках. Неправильная локализация β1-integrin снижает FGF2 чувствительность сателлитных клеток от старых мышей, снижая самообновление (Rozo et al, 2016). β1-integrin в сателлитных клетках взрослых мышей взаимодействует с нишами сателлитных клеток и кооперируется с FGF2, чтобы синергично активировать передачу сигналов FGF (Rozo et al, 2016). Сателлитные клетки от старых мышей и β1-integrin-кондиционных мутантных мышей имеют сходные фенотипы, тогда как преждевременная дифференцировка сателлитных клеток сопровождается снижением пролиферации и нарушениями самообновления (Rozo et al, 2016; Bernet et al, 2014). Воздействие на сателлитные клетки от старых мышей β1-integrin-активирующих антител увеличивает пролиферацию, тогда как дифференцировка и активация FGFR1 снижаются (Rozo et al, 2016). Более того, восстановление передачи сигналов β1-integrin в комбинации с добавлением экзогенного FGF2 восстанавливает юношеские уровни FGFR1 фосфорилирования и способствует асимметричной локализаци phospho-p38α/&beta MAPK (Rozo et al, 2016). β1-integrin частично устраняет присущие клеткам дефекты передачи сигналов FGF в старых сателлитных клетках, указывая, что, скорее всего, он не действует в одиночестве. Fibronectin, гликопротеин, который связывает интегрин и является компонентом ниш сателлитных клеток, снижен в нишах у старых мышей, нарушение, зависимое от FGF, вызывающее нарушение передачи сигналов p38α/&beta MAPK (Lukjanenko et al, 2016). Syndecans,ко-рецепторы FGFR , рассмотрены ранее (Pisconti et al, 2012), их регуляция также нарушена в старых сателлитных клетках (Lukjanenko et al, 2016; Pisconti et al, 2016), и поэтому количество алтьтераций ниш сателлитных клеток у старых мышей вносит вклад в вызываемое возрастом нарушение передачи сигналов FGF в сателлитных клетках и представляет передачу сигналов FGF как критическую для поддержания сложности функции сателлитных клеток
(Fig. 3).
Figure 3.
Age-induced loss of asymmetric FGF signaling in satellite cells. In satellite cells from young mice, activated FGFR1, β1-integrin, and fibronectin are asymmetrically distributed and promote satellite cell self-renewal by asymmetric activation of p38α/β MAPK. In satellite cells from aged mice, reductions in FGFR responsiveness to FGF ligands, as well as reductions in β1-integrin and fibronectin, lead to a reduction in self-renewal and losses of satellite cells. Ectopic activation of FGFR1 or activation of 1-integrin partially rescues self-renewal of satellite cells from aged mice. Дальнейшие исследования покажут, почему старые сателлитные клетки обнаруживают повышенную экспрессию p38α/β MAPK, повышенные отложения FGFи пониженную чувствительность FGFR (которыя, скорее всего, затрагивают интегрины, фибронектин, синдеканы и вообще др. белки ВКМ) и помогут лучше понять лежащие в основе зависимые от возраста механизмы нарушений мышц.
Concluding Remarks
FGF Control of Multiple Satellite Cell Functions
The complexity of FGF signaling in satellite cells reflects the capability of FGFs to control multiple cell functions that include self-renewal, expansion, and terminal differentiation. One direct downstream target of FGF signaling in satellite cells is MyoD (Jones et al, 2005; Troy et al, 2012), a transcription factor and master regulator of myogenesis (Tapscott 2005). Upon satellite cell activation, MyoD mRNA that is produced in the quiescent satellite cell but rapidly degraded is stabilized, permitting commitment of the satellite cell to a myoblast fate and promoting cell cycle entry (Jones et al, 2005; Troy et al, 2012; Bernet et al, 2014; Hausburg et al, 2015). In the absence of pro-proliferative signals, MyoD drives and is necessary for satellite cell differentiation as observed in Zebrafish, where a knockout of FGF8 impairs MyoD induction during development and blocks fast muscle differentiation (Groves et al, 2005). Thus, depending on the context, FGF signaling can promote satellite cell activation and expansion as well as promote cell cycle exit to generate either a self-renewed quiescent stem cell or a terminally differentiated myonuclei. Understanding and elucidating the contextually dependent FGF signals will require further investigation of satellite cell behavior in vivo, where specific cell behaviors can be accurately followed.
Since the first publications linking FGF to myogenesis and satellite cell behavior more than 30 years ago (Lim and Hauschka, 1984; Olwin and Hauschka, 1986; Clegg et al, 1987; Seed et al, 1988), complex and incompletely understood roles for FGF regulation of skeletal muscle regeneration have been identified. To better understand the mechanisms regulating satellite cell fate decisions mediated by FGFs, we need to delineate the signaling pathways involved. These include the intermediate signals downstream of FGFR phosphorylation that direct MAPK activation; the specific requirements for FGFR co-factors and the role that distinct FGFR cell surface complexes play in dictating intracellular signaling specificity; understanding the roles for FGFR redundancy in signaling specificity; and identifying contextually specific FGF signals. The observations linking altered FGF signaling to age-induced satellite cell dysfunction provide therapeutic relevance for continued investigations into FGFs role in muscle regeneration and predict that new data will provide critical insights into basic muscle function, regenerative biology, and skeletal muscle disease mechanisms.
|