Посещений:
СКЕЛЕТНЫЕ МЫШЦЫ

Дифференцировка, Рост, Гомеостаз

Transcriptional mechanisms regulating skeletal muscle differentiation, growth и homeostasis
Thomas Braun & Mathias Gautel
Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 349-361 (June 2011) | doi:10.1038/nrm3118

Skeletal muscle is the dominant organ system in locomotion и energy metabolism. Postnatal muscle grows и adapts largely by remodelling pre-existing fibres, whereas embryonic muscle grows by the proliferation of myogenic cells. Recently, the genetic hierarchies of the myogenic transcription factors that control vertebrate muscle development — by myoblast proliferation, migration, fusion и functional adaptation into fast-twitch и slow-twitch fibres — have become clearer. The transcriptional mechanisms controlling postnatal hypertrophic growth, remodelling и functional differentiation redeploy myogenic factors in concert with serum response factor (SRF), JUNB и forkhead box protein O3A (FOXO3A). It has also emerged that there is extensive post-transcriptional regulation by microRNAs in development и postnatal remodelling.


Рис.1.  |  Striated muscle structure.


Рис.2.  | Different ways to activate the genetic programme of muscle differentiation


Рис.3.  |  Regulation of myogenic differentiation by miR-1 и miR-133.


Рис.14.  |  Control of postnatal muscle transcription и protein turnover.

Tinman/Nkx2-5 acts via miR-1 and upstream of Cdc42 to regulate heart function across species. Qian L, Wythe JD, Liu J, Cartry J, Vogler G, Mohapatra B, Otway RT, Huang Y, King IN, Maillet M, Zheng Y, Crawley T, Taghli-Lamallem O, Semsarian C, Dunwoodie S, Winlaw D, Harvey RP, Fatkin D, Towbin JA, Molkentin JD, Srivastava D, Ocorr K, Bruneau BG, Bodmer R.
J Cell Biol. 2011 Jun 27;193(7):1181-96. Epub 2011 Jun 20.
Unraveling the gene regulatory networks that govern development and function of the mammalian heart is critical for the rational design of therapeutic interventions in human heart disease. Using the Drosophila heart as a platform for identifying novel gene interactions leading to heart disease, we found that the Rho-GTPase Cdc42 cooperates with the cardiac transcription factor Tinman/Nkx2-5. Compound Cdc42, tinman heterozygous mutant flies exhibited impaired cardiac output and altered myofibrillar architecture, and adult heart-specific interference with Cdc42 function is sufficient to cause these same defects. We also identified K(+) channels, encoded by dSUR and slowpoke, as potential effectors of the Cdc42-Tinman interaction. To determine whether a Cdc42-Nkx2-5 interaction is conserved in the mammalian heart, we examined compound heterozygous mutant mice and found conduction system and cardiac output defects. In exploring the mechanism of Nkx2-5 interaction with Cdc42, we demonstrated that mouse Cdc42 was a target of, and negatively regulated by miR-1, which itself was negatively regulated by Nkx2-5 in the mouse heart and by Tinman in the fly heart. We conclude that Cdc42 plays a conserved role in regulating heart function and is an indirect target of Tinman/Nkx2-5 via miR-1.

miR669a and miR669q prevent skeletal muscle differentiation in postnatal cardiac progenitors Stefania Crippa1, Marco Cassano, Graziella Messina, Daniela Galli, Beatriz G. Galvez, Tomaz Curk, Claudia Altomare, Flavio Ronzoni, Jaan Toelen, Rik Gijsbers, Zeger Debyser, Stefan Janssens, Blaz Zupan, Antonio Zaza, Giulio Cossu, and Maurilio Sampaolesi
June 27, 2011 // JCB vol. 193 no. 7 1197-1212
Postnatal heart stem and progenitor cells are a potential therapeutic tool for cardiomyopathies, but little is known about the mechanisms that control cardiac differentiation. Recent work has highlighted an important role for microribonucleic acids (miRNAs) as regulators of cardiac and skeletal myogenesis. In this paper, we isolated cardiac progenitors from neonatal ?-sarcoglycan (Sgcb)–null mouse hearts affected by dilated cardiomyopathy. Unexpectedly, Sgcb-null cardiac progenitors spontaneously differentiated into skeletal muscle fibers both in vitro and when transplanted into regenerating muscles or infarcted hearts. Differentiation potential correlated with the absence of expression of a novel miRNA, miR669q, and with down-regulation of miR669a. Other miRNAs are known to promote myogenesis, but only miR669a and miR669q act upstream of myogenic regulatory factors to prevent myogenesis by directly targeting the MyoD 3? untranslated region. This finding reveals an added level of complexity in the mechanism of the fate choice of mesoderm progenitors and suggests that using endogenous cardiac stem cells therapeutically will require specially tailored procedures for certain genetic diseases.

LEONIE DU PUY, ABDELAZIZ BEQQALI , HELENA TA VAN TOL , JANTINE MONSHOUWER-KLOOTS, ROBERT PASSIER, HENK P. HAAGSMAN and BERNARD A.J. ROELEN
Sarcosin (Krp1) in skeletal muscle differentiation: gene expression profiling and knockdown experiments
Int. J. Dev. Biol. 56: 301-309, 2012 doi: 10.1387/ijdb.113327lp

SARCOSIN, также наз. Krp1, был идентифицирован как белок исключительрно экспрессирующийся в поперечно-полосатой мышечной ткани. Описывается роль SARCOSIN в развитии и дифференцировке скелетных мышц. Мы продемонстрироали с помощью whole-mount in situ гибридизации, что мРНК Sarcosin экспрессируется в миотомной части зрелых сомитов мышиных эмбрионов с 9.5 дня эмбриогенеза. Sarcosin не экспрессируется в развивающемся сердце на этих эмбриональных стадиях, а во взрослых тканях уровни экспрессии мРНК в 5 раз ниже в сердце. чем в скелетных мышцах. Белок SARCOSIN частично ко-локализуется с M-диска белком myomesin и между и ниже латерально сливающихся миофибрилл во взрослых скелетных мышцах. and below laterally fusing myofibrils in adult skeletal muscle tissue. RNAi обусловленный нокдаун SARCOSIN в C2C12 в линии клеток миобластов, по-видимому, оказывает стимулирующий эффект в ранней фазе дифференцировки, но ингиби he.obq эффект в позджней фазе дифференцировки.
Движение, по крайней мере частично, определяющим признаком всех животных, даже если иногда оно ограничено специфическими стадиями развития. Личиночная миграция, питание, полет, репродукция и циркуляция крови всё это базируется на направленных скоординированных движениях, обеспечиваемых мышцами. Эволюционные преимущества эффективного передвижения привели к нескольким решениям в отношении конструкции органов передвижения (мышц) у вех животных. Во всех мышечных клетках myosin II моторные белки и актиновые филаменты генерируют силы и движения. В поперечно исчерченных мышцах, которые используются для передвижения, сокращения актомиозина умножаются в серийном и параллельном расположении многочисленных контрактильных единиц, называемых саркомерами. Они состоят из актиновых и миозиновых филамент расположенных строго упорядоченным образом, а также из сотен регуляторных белков, таких как troponin-tropomyosin комплекс, и каркасных и цитоскелетных поперечно связывающих белков, таких как α-actinin, myomesin и киназа titin1, 2 (Fig. 1).
У позвоночных поперечно исчерченные мышечные клетки обнаруживаются в двух тканях: скелетных и сердечных мышцах (Fig. 1). Хотя в обоих случаях имеются высоко упорядоченные миофибриллярные структуры, они имеют разное эмбриональное происхождение и предназначены для определенных целей за счет разных генетических программ. Более того, у позвоночных сосуществуют специализированные скелетные мышцы с разной сократимостью (медленно и быстро сокращающиеся) и метаболическими свойствами3, 4.
Такие различия предопределяются активностью специфических транскрипционных факторов, myogenic regulatory factors (MRFs), которые действуют совместно с плейотропными транскрипционными факторами и эпигенетическими регуляторными механизмами, чтобы контролировать развитие мышц и их постнатальное ремоделирование. Во время эмбрионального развития эти генетические программы предопределяют первичную дифференцировку и также будущие метаболические и контрактильные свойства тканей с специфических анатомических компартментах, тем самым контролируя детерминацию будущих медленно- и быстро-сокращающихся мышц. Постнатально степень использования мышц и специфические паттерны иннервации предопределяют композицию и скорости оборота мышечных контрактильных белков, а также поддерживающих метаболических энзимов, ионных каналов и белков сигнальной трансдукции. Такое ремоделирование дифференцированных мышц предопределяет контрактильные свойства и предпочтительные источники энергии. Оно управляется с помощью сигнальных каскадов (модулируемых с помощью ростовых факторов и цитокинов, стероидных гормонов и механической активности), которые контролируют транскрипционную активность мышце-специфических и плейотропных транскрипционных факторов. Эти генетические программы также регулируют изменения в мышечной массе. Во время эмбрионального развития мышечная масса увеличивается преимущественно за счет пролиферативного роста миобластов. Постнатально, вклад пролиферации клеток снижается и гипертрофический рост и ремоделирование предсуществующих мышечных волокон доминирует; резидентные стволовые клетки (сателлитные клетки) в основном используются для репарации повреждений5, 6, 7.
Недавнее исследование пролило свет на основные механизмы, которые ведут к детерминации клеток предшественников в мышечный клон (миогенез). Как результат, мы сегодня лучше понимаем, как функциональное разнообразие различных поперечно-полосатых мышц осуществляется в ходе развития и как физиологические стимулы транслируются в изменения паттернов экспрессии мышечных генов, метаболические реакции и оборот белков. Это недавнее исследование выявило, как постнатальные мышцы ремоделируются, используя миогенные транскрипционные факторы, которые также активны во время раннего развития.

Transcriptional control of myogenesis


Клетки скелетных мышц у высших позвоночных возникают в середине беременности (у мышей между эмбриональным днем 9 (E9) и E12) из трех разных источников внутри среднего слоя клеток примитивного эмбриона: сегментированная сомитная параксиальная мезодерма, несегментированная краниальная параксиальная мезодерма и прехордальная мезодерма; они представляют собой разные части мезодермы вдоль рострокаудальной оси (rev. Ref. 8). Скелетные мышцы туловища и конечностей происходят из клеток сегментированной параксиальной мезодермы (сомитов), которая образуется на каждой из сторон нервной трубки у эмбрионов позвоночных. Сомиты далее дифференцируются в дорсальную часть, наз. дермомиотом (который сохраняет эпителиальную структуру) и вентральную часть, наз. склеротом (расщепляется на мезенхиму, которая вносит вклад в аксиальный скелет эмбриона). Первые мышечные клетки формируются в миотоме, который расположен непосредственно ниже дермомиотома и формируется клетками, которые отделяются за счет отслаивания от дермомиотома (rev. Ref. 9) (Box 1).

Box 1 | Skeletal muscle cell specification и differentiation during embryogenesis

Во всех анатомических местах, в которых происходит образование мышц. детерминация и терминальная дифференцировка мышечных клеток управляются сетью из 4-х MRFs: myogenic factor 5 (MYF5), muscle-specific regulatory factor 4 (MRF4; также известен как MYF6), myoblast determination protein (MYOD) и myogenin. MRFs являются транскрипционными факторами, которые активируют многие нижестоящие гены, чтобы инициировать дифференцировку мышечных клеток. MYOD и MYF5 являются мышце-специфическими транскрипционными факторами и образуют перекрестную регуляторную транскрипционную сеть, которая составляет суть детерминации и дифференцировки мышечных клеток (Fig. 2); разрушение этой сети полностью устраняет образование скелетных мышц. MYF5 и MYOD , как полагают, действуют как гены детерминации, тогда как myogenin важен для терминальной дифференцировки детерминированных миобластов (rev. Ref. 10). MRF4, по-видимому, выполняет двойную роль: он считается геном дифференцировки, действующим у постмитотических созревающих клетках, но он также экспрессируется в недифференцированных пролиферирующих клетках, в которых он может действовать как ген детерминации11. Вышестоящие сигналы (транскрипционные факторы и внеклеточные сигналы (Box 2)) , которые активируют MRFs отличаются существенно в разных анатомических местах (Fig. 2), хотя некоторые молекулярные стимулы одинаковы.

Box 2 | Extracellular signals directing muscle development

Regulation of trunk skeletal muscle formation. Многочисленные транскрипционные факторы, такие как paired box, homeobox и T-box белки, были идентифицированы, как связывающие вышестоящие MRF гены. Ни один из этих факторов не экспрессируется исключительно в клетках мышечных предшественников, которые дают дифференцированные мышечные клетки, это указывает на то, что эти транскрипционные факторы подготавливают место действия для дополнительных факторов (таких как MRFs), чтобы инициировать миогенез. Напротив, они могут действовать совместно с др. транскрипционными факторами, чтобы сделать возможной активацию MRFs. В обоих случаях инструктивные или пермиссивные индуктивные сигналы необходимы для достижения стабильной, само-поддерживаемой активации MRFs в клетках мышечных предшественников и при формировании мышечных клеток.
Дифференцировка гипаксиальных мышц и эпаксиальных мышц, по-видимому, отличается в отношении транскрипционной сети, которая активирует MRFs. В самом деле, гены мишени для paired box protein 3 (PAX3), который стоит выше MRFs, отличаются в гипаксиальных и эпаксиальных мышцах. В эпаксиальных мышцах мышей PAX3, по-видимому, активируют MYF5 путем контроля экспрессии Dmrt2, который, в свою очередь, активирует epaxial энхансер для Myf5 в сомитах12. Более того, анализ мышей, истощенных по PAX3 и MYF5, выявил почти полную потерю мышц туловища и потерю экспрессии MyoD; это указывает на то, что экспрессия MyoD зависит или от PAX3 или MYF5 (Ref. 13). Пока не известно в точности, как PAX3 активирует экспрессию MyoD, хотя эксперименты на культурах пресомитных эксплантов показали, что передача сигналов WNT регулирует экспрессию MyoD PAX3-зависимым способом14. Итак. имеющиеся доказательства указывают на то, что PAX3 обеспечивает активацию MYOD и MYF5 в тесном взаимодействии с сигналами,индуцирующими мышцы. Ранние эксперименты показали, что эктопическая экспрессия PAX3 достаточна для индукции экспрессии MYOD, MYF5 и myogenin в отсутствие индуцирующей ткани (т.е. нервной трубки и параксиального поверхностного эпителия) как в параксиальной, так и латеральной пластинке мезодермы эмбрионов кур и в нервной трубке15, 16; однако, непосредственная экспрессия PAX3 in vivo не индуцирует стабильную миогенную судьбу. Сходным образом, экспрессия LBX1, гена мишени для PAX3, ведет к активации миогенеза in vitro и к временной индукции генов миогенной детерминации in vivo у эмбрионов кур13, 16. Интересно, что мутации Pax3 паралога Pax7 не обнаруживаю видимых дефектов мышц во время развития у мышей17, а комбинированная потеря PAX3 и PAX7 приводит к фенотипу, который сходен с таковым мутантов PAX3, с инициальным образованием скелетных мышц, происходящим в миотоме вплоть до ст. E10.5. Это указывает на то, что инициальное образование скелетных мышечных клеток в миотоме, происходящее вплоть до E10.5, не находится под непосредственным контролем PAX3 и PAX7. Т.к. компаундные PAX3 и PAX7 мутанты обнаруживают тяжелые нарушения в развитии мышц на поздних стадиях, давая лишь немного дифференцированных мышечных клеток18, возможно, что PAX3 и/или PAX7 ответственны за увеличение популяции клеток предшественников мышц. Это д. увеличивать склонность к миогенной дифференцировке и тем самым наделять миогенные клетки способностью отвечать на внешние сигналы16. Это мнение в дальнейшем было подтверждено наблюдением, что PAX3 непосредственно регулирует компоненты сигнального пути fibroblast growth factor (FGF), который играет роль в экспансии пула клеток миогенных предшественников19.
В гипаксиальных мышечных клетках PAX3, по-видимому, непосредственно активирует MYF5, но не MYOD. Сходным образом, исследование миобластов, происходящих мышечных стволовых клеток, показало, что экспрессия MYF5 регулируется с помощью PAX7 (Ref. 20). Однако, , несмотря на несомненную роль в активации MYF5 и в морфогенезе гипаксиальной части дермомиотома, PAX3, , по-видимому, не существенен для развития гипаксиальных мышц, поскольку латеральные половины сомитов от E9.25 PAX3-мутантных эмбрионов, трансплантированные в зачаток конечности хозяев эмбрионов кур, развивались нормально21. Более того, недавнее исследование с использованием PAX3-engrailed слитого белка, который действует как репрессор транскрипции, показало, что PAX3 непосредственно регулирует Myf5 в гиаксиальной части сомита и в его производных мышцах конечностей. У этих мышей экспрессия Myf5, но не MyoD, нарушалась в гипаксиальных мышцах. Авт. полагают, что регуляция Myf5 с помощью PAX3 в гипаксиальных мышцах достигается консенсусного сайта в PAX3, расположенного в 145 п.н. регуляторном элементе на расстоянии -57.5 kb от Myf5. Мутации в PAX3-связывающем сайте, затрагивающие 145 bp элемент, устраняют всякую экспрессию у трансгенных эмбрионов мыши22. Сходным образом, была описана последовательность, которая содержит предсказываемый гомеобокс, соседствующий с предполагаемым сайтом связывания paired домена внутри -58 -56 kb дистальнее энхансера Myf5, который управляет экспрессией Myf5 в миогенных клетках предшественниках в конечностях. Как PAX3, так и mesenchyme homeobox gene 2 (MEOX2) транскрипционные факторы могут связывать эти консенсусные сайты in vitro, так что они являются потенциальными регуляторами23. Однако отсутствуют убедительные генетические доказательства, показывающие, что MEOX2 оказывает существенное влияние на экспрессию Myf5 в конечностях, несмотря на некоторые ранние сообщения, утверждающие о снижении экспрессии MYF5 в MEOX2-мутантных конечностях. Кажется вполне возможным, что sine oculis homeobox homologue 1 (SIX1) и SIX4 (see below) занимают сайт связывания гомеобокса в 145 bp элементе. Фактически недавно было показано, что SIX1 и SIX4 регулируют транскрипцию MYF5 в конечностях вместе с PAX3, путем соединения с 145 bp элементом на расстоянии -57.5 kb от Myf5. Дополнительный регуляторный элемент, по-видимому, вносит вклад в экспрессию Myf5 в задних конечностях и этот элемент может быть ответственным за некоторую остаточную экспрессию Myf5 в зачатках задних конечностей у SIX1 мутантов24.
SIX также участвуют в регуляции миогенеза конечностей. SIX белки действуют, по крайней мере, частично выше миогенных регуляторных факторов и PAX белков (Fig. 2). Геном человека и мыши содержит 6 SIX генов (SIX1-SIX6), 3 из которых (SIX1, SIX4 и SIX5) экспрессируются, начиная с E8 в виде перекрывающихся паттернов экспрессии в сомитах, зачатках конечностей, ганглиях дорсальных корешков и бранхиальных дугах. SIX белки образуют комплексы со своими транскрипционными ко-активаторами, eyes absent (EYA) белками, чтобы стимулировать синергично транскрипцию25. SIX1 мутанты погибают при рождении и обнаруживают избирательную мышечную гипоплазию в диафрагме, передних конечностях, в вентральной дистальной части задних конечностей и животе26. Мышечный фенотип более тяжелый у компаундных мутантов SIX1 и SIX4, которые не имеют клеток миогенных прдешественников в зачатках конечностей, так что конечности не содержат мышц27. Более того, ни один из двойных SIX1 и SIX4 мутантов и ни один из двойных EYA1 и EYA мутантов не экспрессирует Pax3 в гипаксиальной части дермомиотома, показвая тем самым, что Six и Eya расположены иерархически выше Pax3 в гипаксиальном миогенезе. SIX1 и SIX4 двойные мутанты также обнаруживают пониженную экспрессию MyoD, myogenin и др. миотомных маркеров, хотя ранняя активация MYF5 в эпаксиальных частях сомитов не затронута27. Однако позднее в развитии экспрессия SIX генов, по-видимому, зависит от MRFs, указывая тем самым на двойную роль белков SIX как выше, так и ниже MRFs во время миогенеза28. Роль белков SIX в дифференцировке медленно и быстро сокращающихся мышечных волокон см. ниже.
MRFs также способствуют многим др. факторам, такми как PBX и MEIS белки29, которые действуют как гетеродимеры и выступают в качестве кофакторов basic helix-loop-helix (bHLH) белков, таких как MRFs и различные гомеобоксные транскрипционные факторы. PBX и MEIS белки участвуют в механизмах с положительной обратной связью, которые позволяют MRFs активировать 'ранние' гены программы мышечной дифференцировки немедленно, тогда как гены, активируемые позднее в программе дифференцировки, нуждаются как в MRFs так и в дополнительном участии одной из ранних мишеней MRF29 (rev. Ref. 10). Myocyte enhancer factor 2 (MEF2) также являются важными членами этой регуляторной петли (circuit). MEF2 белки взаимодействуют непосредственно с MYOD in vitro и взаимно усиливая активируют репортерные гены, которые содержат E-boxes и MEF2-связывающие сайты30. E-boxes и MEF2-связывающие сайты часто располагаются вблизи один к др. в промоторах и энхансерах мышце-специфических генов, подтверждая модель, согласно которой MRFs и MEF2 связывают ДНК и активируют транскрипцию кооперативным способом. Три из 4-х MEF2 белков (MEF2A, MEF2C и MEF2D) экспрессируются в скелетных мышцах и экспрессия и сплайсинг этих изоформ изменяются в ответ на MYOD, это также подтверждает роль MYOD в механизме позитивной обратной связи, который управляется с помощью MRFs29.
The transcriptional regulation of head muscles. Недавние доказательства указывают на то, что развитие головных мышц следует отличающейся программе, которая не нуждается в действии PAX3 и PAX7. Инициальная спецификация жевательных мышц у мышей зависит от bHLH генов MyoR и capsulin31. Дополнительными игроками являются pituitary homeobox 2 (Pitx2) и T-box transcription factor 1 (Tbx1), которые сотрудничают с основной миогенной программой, чтобы генерировать мышцы головы. И Pitx2 и Tbx1 экспрессируются широко в развивающихся эмбрионах мышей и и грают важную роль в формировании мышц головы (Fig. 2). В самом деле, PITX2 мутанты не образуют собственно мышц, которые происходят из первой бранхиальной дуги32 и они лишены мышц глазного яблока33. TBX1 мутанты также страдают от нарушений миогенеза в первой бранхиальной дуге и лишены мышц, которые обычно возникают из др. дуг, благодаря тяжелым нарушениям их структуры34, 35. Недавно было показано, что TBX1 и MYF5 действуют взаимно усиливая др. др., чтобы управлять миогенезом предшественников фарингеальных мышц, тем самым они действуют как пути, комплементарные путям с участием PAX3 и MYF5 в теле36. Возможно, что PITX2 и TBX1 регулируют покой и само-обновление мышечных предшественников в голове подобно PAX3 и PAX7 в скелетных мышцах туловища.

Post-transcriptional control by microRNAs


Геном человека содержит тысячи некодирующих РНК, наиболее изучен класс микроРНК (miRNAs) (rev. Ref. 37), который регулирует экспрессию генов на транскрипционном и посттранскрипционном уровне. miRNAs супрессируют экспрессию генов благодаря своей комплементарности последовательности одной или более мРНК, обычно в сайте 3' нетранслируемой оласти. Образование комплекса miRNA-мишень приводит или к ингибированию трансляции белка или к деградации транскриптов мРНК с помощью процесса, сходного с интерференцией РНК38. Нет сомнений в том, что формирование, поддержание и физиологические и патологические реакции скелетных мышц, со всем их комплексом регуляторных circuits, являются предметом регуляции некодирующих РНК. Фактически увеличение сложности, обеспечиваемое степенью геномных некодирующих последовательностей, дает удовлетворительное объяснение характерным способам регуляции, обнаруживаемым в клетках скелетных мышц.
Многие микроРНК экспрессируются в скелетных и кардиальных мышцах. Некоторые из них обнаруживают специфичность к скелетным и/или кардиальным мышцам ил , по крайней мере, сильно обогащены в эжтих тканях, подтверждая их специфическую роль в миогенезе39. Экспрессия мышце-специфических микроРНК miR-1, miR-133, miR-206 и miR-208, по-видимому, находится под контролем основной мышечной транскрипционной сети, которая использует плейотропный serum response factor (SRF), MYOD и bHLH транскрипционный фактор Twist в кооперации с MEF2 (Refs 40, 41, 42, 43). Иммунопреципитация хроматина, сопровождаемая анализом микромассива (ChIP-chip), показала, что MYOD и myogenin связывают последовательности вышестоящих miR-1 и miR-133 (Ref. 41). Более того, MEF2 выполняет критическую роль в контроле внутригенного энхансера, расположенного в miR-1-2 локусе (который содержат miR-1 и miR-2)44. Недавно анализ мышей, дефицитных по MYF5 и MYOD, выявил неожиданно специфическую потребность MYF5 для экспрессии miR-1 и miR-206. На ранних стадиях развития, экспрессия и miR-1 и miR-206 почти полностью отсутствует в сомитах MYF5-мутантных эмбрионов, тогда как мышиные эмбрионы, лишенные MYOD обнаруживают, по-видимому, нормальную экспрессию обеих miRNAs45. В то время как miR-133 и miR-206 экспрессируются как независимые транскрипционные единицы, miR-208 кодируется интроном своего гена хозяина, α-myosin heavy chain (αMHC)46. Как miR-208 так и αMHC являются специфичными для сердца и конкурентно экспрессируются во время развития, подтверждая, что их экспрессия контролируется общим регуляторным элементом46.
Некоторые эксперименты подтвердили, что miRNAs действуют как модуляторы миогенной дифференцировки, в частности из-за того, что некоторые miRNAs, такие как miR-1 и miR-133 (Fig. 3a), отсутствуют в недифференцированных миобластах и строго активируются после дифференцировки47. Повышение экспрессии miR-1 в культуре ткани ускоряет дифференцировку миобластов путем подавления histone deacetylase 4 (HDAC4), репрессора мышечной дифференцировки, а нокдаун miR-1 затрудняет миогенную дифференцировку40. Хотя была установлена сходная роль для miR-1 в облегчении дифференцировки при развитии сердца мыши, где тканеспецифическая избыточная экспрессия miR-1 вызывает преждевременную дифференцировку кардиомиоцитов43, всё же убедительные доказательства обязательной роли miR-1 в регуляции миогенной дифференцировки отсутствуют. Недавние исследования, однако подтвердили, что возобновление экспрессии miR-206 в клетках рабдомиосаркомы человека способствует миогенной дифференцировке и блокирует опухолевый рост у мышей с xenograft за счет переключения профиля глобальной экспрессии мРНК на тот, который напоминает зрелые мышцы48. Эта находка подтверждает важную модулирующую роль miR-206 в контроле миогенеза (Fig. 3b), хотя miR-206-нокаутные мыши не обнаруживают существенного ареста миогенной дифференцировки49.
Модулирующая роль микроРНК на мышечную дифференцировку подчеркивается некоторыми наблюдениями роли miR-1, miR-27, miR-206 и miR-486 в регуляции PAX3 и PAX7 (Fig. 3c). miR-1, miR-27 и miR-206, как было установлено, ингибируют PAX3 и тем самым освобождают от ингибирующего влияния PAX3 на терминальную мышечную дифференцировку50, 51; аналогичная роль была описана для регуляции PAX7, который репрессировался с помощью miR-1 и miR-206 (Refs 52, 53). Следовательно, петля обратной связи, амплифицирующая терминальную MYOD-индуцированную мышечную дифференцировку, участвует в транскрипционном переключении в направлении поздних факторов, таких как MEF2C, а также в эпигенетическом подавлении факторов мышечных стволовых клеток, таких как PAX3 и PAX7.
Регуляция миогенеза с помощью miR-1 и miR-133 неясна, поскольку геномы человека и мыши содержат два бицистронных локуса, оба из которых экспрессируют miR-1 и miR-133. Сообщалось, что селективное разрушение miR-1-2 локуса мыши ведет к серьёзному кардиальному фенотипу, включая 50% эмбриональную летальность с частыми дефектами межжелудочковой перегородки54, это оказалось неожиданным, учитывая, что последовательности miR-1 и miR-133 идентичны и что оба локуса экспрессируются в скелетных и кардиальных мышцах. Комбинированные нокауты miR-1-2-miR-133a1 и miR-1-1-miR-133a2 кластеров всё ещё не решены и и смогут дать более определенные ответы. Несмотря на это очень возможно, что miR-1 и miR-133 необходимы для вычленения фенотипов дифференцированных мышчных клеток, это согласуется с заключениями по экспериментам с избыточной экспрессией miR-155.
Современные мнения о функциях miRNA остаются несопоставимыми и осложняются некоторыми лежащими в основе техническими проблемами. Напр., массивная избыточная экспрессия не обязательно может отражать физиологическую функцию индивидуальных miRNA. Вместо этого нефизиологическое присутствие больших количеств экзогенных микроРНК может вызывать многочисленные off-target эффекты, как эхто было продемонстрировано для малых интерферирующих РНК, и должно приводить к ложным заключениям56. Сходным образом, подходя с использованием нокдауна antagomirs, хотя и чрезвычайно привлекательны из-за их относительной легкости использования и широкого использования, могут приводить к некоторым западням, которые необходимо исследовать57.

Postnatal control of muscle phenotype


Скелетные мышцы обнаруживают удивительную способность быстрой адаптации к изменениям в физиологических потребностях, за счет изменения возбудимости, контрактильных характеристик, метаболизма и размера и массы волокон (see below). Эти радикальные перемены используют согласованный контроль регуляции транскрипции, синтеза белка, деградации белка и течения метаболизма, детали которых только начинают проясняться. Во время постнатальной адаптации мышц или ремоделирования мышц, аспекты ранних онтогенетических программ могут быть реактивированы и могут кооперировать со специфическими паттернами, чтобы предопределять характеристики типа волокон58; MEF2, nuclear factor of activated T cells (NFAT), myogenin, JUNB и SRF играют выдающиеся роли в этом процессе59-64. Пост-трансляционные модификаторы гистонов (гистоновые ацетилазы и HDACs)64, 65 и транскрипционных факторов (протеин киназы и фосфатазы, а также ubiquitin и SUMO трансферазы) кооперируют в сложных взаимодействиях между структурой хроматина и аппаратом транскрипции. Многие из этих реакций модулируются с помощью мышечной активности, или с помощью ощущения нервной активности посредством внутриклеточных уровней Ca2+ или непосредственно через механическое напряжение. Кроме того, различные гормональные и цитокиновые сигнальные механизмы подпитывают те же самые пути.
Склетная мускулатура взрослых содержит высоко дифференцированные типы волокон: медленно-сокращающиеся, оксидативного типа волокна (type I) и три быстро-сокращающиеся, гликолитического типа волокна (type 2)4. Развитие быстро-сокращающихся волокон следует определенным паттернам, используя контроль с помощью SIX1 и SIX4 (см. выше)66, который также играет важную роль постнатально в адаптации быстрого мышечного фенотипа25. Напротив, медленно-сокращающиеся волокна детерминируются с помощью транскрипционного репрессора BLIMP1 (Ref. 67), который супрессирует транскрипционный фактор SOX6 (Refs 68, 69). Разное происхождение быстро-сокращающихся и медленно-сокращающихся волокон также подчеркивается наблюдением, что онтогенетические клоны и регенерация медленно- и быстро-сокращающихся мышц за счет рекрутирования внутренне предопределенных различных миогенных предшественников70 или сателлитных клеток71. Постнатально, SIX1 кооперирует с EYA1 в дифференцировке типа волокон. В самом деле, усиление ко-экспрессии SIX1 и EYA1 в медленно-сокращающихся волокнах мышцы soleus вызывает переход к быстро-сокращающемуся типу волокон, с замещением медленных изоформ тяжелой цепи миозина I и IIA быстрой IIB и/или IIX, это сопровождается активацией др. генов, специфичных для быстро-сокращающихся волокон, и переключением на гликолитический метаболизм.
Для физиологической, зависимой от активности адаптации существующих волокон, тип нервной активности, действующей на волокна,, по-видимому, наиболее важный фактор определяющий тип волокон. Паттерн возбуждения нейронов, иннервирующих быстро- и медленно-сокращающиеся мышечные волокна заметно отличается по частотным и временным параметрам, приводя к разным мембранным потенциалам и в конечном итоге к чистой разности в уровнях внутриклеточного Ca2+. Эти различия могут быть восприняты с помощью Ca2+-активируемой Ser фосфатазы calcineurin (также известной как PP2B), которая дефосфорилирует и тем самым активирует NFAT. Он может затем действовать как calcineurin-зависимый сенсор и может транслировать активность в скелетные мышцы в виде измененных специфичных для типа волокон программ генной экспрессии (Fig. 4). Ядерная версия NFAT (NFATC1) кооперирует с многочисленными мышечно-специфическими кофакторами, такими как MYF5 (Ref. 72), чтобы модулировать экспрессию мышечно-специфических генов59, и тем самым контролировать экспрессию быстрых и медленных изоформ миозина73. Зависимый от активности ядерный экспорт и импорт NFATC1 является быстрым событием, происходящим в течение минут в соответствии с паттерном стимуляции медленного типа74. Его активности противодействует ингибитор calcineurin CAIN (также известен как CABIN1), который способствует ядерному экспорту NFATC1 как в soleus так и стимулированную tibialis anterior muscle.
Дальнейшая регуляция активности calcineurin обеспечивается с помощью семейства ассоциированных с саркомерами белков, известных как myozenins (MOYZs; также известны как FATZs и calsarcins), которые кодируются тремя MYOZ генами. MYOZ2 экспрессируется во взрослых сердечной и медленно-сокращающихся скелетных мышцах, тогда как MYOZ1 ограничивается быстро-сокращающимися скелетными мышцами. MYOZs взаимодействуют с calcineurin и PDZ домен и LIM домен-содержащим белком LIM domain-binding protein 3 (LDB3; также известным как ZASP, cypher и oracle) (rev. Ref. 2). MYOZ2-нокаутные мыши обнаруживют усиление передачи сигналов calcineurin в поперечно-полосатых мышцах, указывая, что MYOZ2 действует как тормоз в отношении активности calcineurin75. В результате аномальной активации calcineurin, MYOZ2-нокаутные мыши обнаруживают избыток медленно-сокращающихся мышечных волокон, это согласуется с установленной ролью calcineurin и NFAT в зависимой от активности регуляции типа волокон59. Сходным образом, MYOZ2-нокаутные мыши активируют кардиальную гипертрофическую генную программу в отсутствие гипертрофии и обнаруживают усиленный кардиальный рост в ответ на избыточное кровяное давление75.
Благодаря возможной функции саркомерного Z-диска (Fig. 1) в качестве сенсора механического напряжения мышц (rev. Ref. 76), активность calcineurin также может быть механически модулирована с помощью MYOZs в Z-диске. Взаимозависимая регуляция транскрипции с помощью calcineurin, SIX1 и EYA, и MRFs, которая кажется возможной, исходя из этих наблюдений, и контроль активности SIX1 при переходе между типами волокон пока неизвестны.

Postnatal control of muscle mass


Адаптивные изменения в мышцах в ответ на изменения в активности не только предопределяют контрактильный фенотип, но и также, что важно, влияют на оборот белков в мышцах и тем самым на мышечную массу. Мышечная масса увеличивается за счет гипертрофии (увеличения содержания белков в клетках) и контролируется с помощью анаболических и катаболических механизмов, которые регулируют повышенный синтез мышечных белков или их деградацию, соотв. Атрофическая потеря мышечной массы часто реакция на противоположные стимулы и может быть запущена с помощью выходя из употребления, микрогравитации, катаболических стероидов, таких как глюкокортикоиды, цитокины, такие как tumour necrosis factor (TNF), генетические факторы, ацидоз и катаболические пищевые состояния. Гипертрофия и атрофия ассоциируют с изменениями в составе белков саркомеров (Box 3), энзимов и контрактильного фенотипа, а атрофия в частности может рассматриваться как экстремальная терминальной стадией активности регулируемая адаптация. Фактически, обсуждаемая мышечная потеря ассоциирует со сдвигом в направлении быстро-сокращающегося фенотипа и реактивации онтогенетических транскрипционных факторов4. Скоординированные изменения механизмов транскрипции и сплайсинга, оборота белков и клеточных судеб интегрируют сигнальные пути от гормонов и цитокиновых рецепторов, а также от самого саркомера.

Box 3 | Transcriptional control of sarcomere assembly

Сателлитные клетки играют важную роль в репарации скелетных мышц7, 77, 78 и тем самым в долговременном гомеостазе мышечной ткани. Они также, как полагают, ответственны за ранний постнатальный мышечный рост. Напротив, их роль в обеспечении гипертрофического роста спорна, поскольку гипертрофический рост у взрослых, по-видимому, происходит без активации сателлитных клеток79. Благодаря большому количеству недавних исследований сателлитных клеток, которые требуют отдельного обзора, и их неясной роли в регуляции постнатальной мышечной массы, мы не будем обсуждать сателлитные клетки далее.
Transcriptional control of muscle protein turnover. Недавно было установлено, что экспрессия катаболических генов регулируется транскрипционным фактором forkhead box O1 (FOXO1) и FOXO3A80, 81. Активность белков семейства FOXO преимущественно регулируется с помощью фосфорилирования: дефосфорилированные FOXOs транслоцируются в ядро и транскрипционно активны, тогда как фосфорилированные FOXOs секвестрируются в цитоплазме. Передача сигналов через некоторые рецепторные Tyr киназы активирует путь phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-AKT, ключевой регулятор мышечной массы и метаболизма, который непосредственно стимулирует синтез белков путем активации mammalian target of rapamycin (mTOR) и его нижестоящих мишеней82 (Fig. 4). Помимо своих анаболических эффектов на белковый синтез и метаболизм углеводов, AKT-обеспечиваемое фосфорилирование также блокирует ядерный импорт и транскрипционную активность FOXO1 и FOXO3A.
Гены, зависимые от FOXO белков для своей экспрессии в мышцах, включают ряд генов, связанных с атрофией, известных как atrogenes, такие как atrogin 1 (также известен как FBXO 32 и MAFBX1) и muscle-upregulated RING finger (MURF) ubiquitin лигаза82. Белковые продукты atrogenes находят миофибриллярные, метаболические и транскрипционные белки для деградации как с помощью ubiquitin-proteasome системы, так и autophagy-lysosomal системы83. FOXO3A, который, по-видимому, является доминирующим FOXO белком в мышцах, также контролирует транскрипцию повсеместных связанных с аутофагией генов (которые могут рассматриваться как atrogenes), таких как гены, кодирующие с микротрубочками ассоциированный белок 1 light chain 3 (LC3), sequestosome 1 (SQSTM1) и возможно родственный белок NBR1, и BNIP3 - BNIP3, по-видимому, обеспечивают эффект FOXO3 на аутофагию84, 85. Следовательно, репрессия транскрипции atrogenes увеличивает AKT-обеспечиваемое увеличение трансляции белков путем завершения разложения белков, тем самым увеличивая мышечную массу.
Помимо передачи сигналов от AKT, многие пути с вводными данными от катаболических и анаболических сигналов, влияют на FOXO-обеспечиваемую транскрипцию и, следовательно, экспрессию atrogene (Fig. 4). прямая амплификация, по-видимому, обеспечивается с помощью atrogin 1, который запускает деградацию86, ингибируя тем самым анаболические транскрипционные сигналы, обеспечиваемые с помощью calcineurin-NFAT пути (see above). Более того, хотя перенос Lys48-сцепленных цепочек polyubiquitin в целом поставляет белки для протеосомной деградации, atrogin 1 в кардиальной мышце обеспечивает Lys63-сцепленное polyubiquitylation FOXO1 и FOXO3A, это ведет к их активации независимо от AKT и создает atrogin 1-зависимый позитивный механизм обратной связи для экспрессии atrophic гена87. Однако, хотя эти механизмы были связаны в основном с атрофией мышц, сегодня стало ясно, что аутофагия играет важную роль не только в чрезвычайных условиях ремоделирования атрофических мышц, но и также для поддержания мышц путем удаления дефектных органелл и внесения вклада в энергетический гомеостаз88. Экспрессия некоторых из atrogenes также регулируется с помощью nuclear factor-κB (NF-κB) (rev. Ref. 89), тем самым осуществляется связь между передачей катаболических сигналов catabolic signalling и передачей цитокиновых сигналов (напр., посредством TNF) (Fig. 4). Как FOXO белки и передача сигналов NF-κB координируются, пока неясно - делеция вышестоящей активирующей киназы NF-κB, ингибирующей NF-κkinase B (IKKB), защищает мышцы от атрофии90, тогда как постоярно активные FOXO белки достаточны для индукции атрофии80, 81.
Myogenin,который обсуждался выше, является ключевым регулятором мышечного развития, также играет ключевую роль в мышечной атрофии путем непосредственной регуляции транскрипции MURF1 (также известного как TRIM63) и atrogin 1 (Refs 64, 91). Myogenin быстро активируется в денервированных мышцах и его воздействие на транскрипцию atrogenes, по-видимому, контролируется с помощью HDAC4 и HDAC5 (Ref. 64). Это перекидывает мостик между ранним развитием мышц и постнатальной адаптацией мышц. Катаболические программы, контролируемые белками FOXO, myogenin и NF-κB сбалансированы с сетью мышце-специфических и плейотропных транскрипционных факторов, которые кооперируют лишь в частично изученных путях, чтобы контролировать поддержание дифференцированного фенотипа (Fig. 4). Из плейотропных факторов, SRF необходим для постнатальной гипертрофии, а JUNB способствует мышечному росту частично за счет прямого взаимодействия с и репрессии белков FOXO63. Учитывая активное вовлечение микроРНК в регуляцию петлей обратной связи во время развития, не является сюрпризом, что микроРНК также играют роль в поддержании и ремоделировании мышц. Фактически, miR-486, которая индуцирует дифференцировку миобластов путем ингибирования PAX7 (see above), способствует передаче сигналов PI3K-AKT с помощью нижестоящего phosphatase and tensin homologue (PTEN; который ингибирует PI3K) и непосредственно ингибирует сам FOXO1A92. miR-1 также амплифицирует атрофическую реакцию; она транскрипционно регулируется с помощью FOXO белков и супрессирует экспрессию insulin growth factor 1 (IGF1), ингибируя тем самым передачу сигналов AKT93 (Fig. 4). Эти мути сильно модулируются с помощью механических стрессов и цитокиновых и гормональных сигналов (see below).
Mechanical control of protein turnover. Медленно- и быстро-сокращающиеся волокна обнаруживают разное механическое поведение, но механизмы, регулирующие их дифференцировку и адаптацию, также частично чувствительны к механическим стрессам. Адаптивные изменения мышц к изменениям в механической нагрузке и активности не только затрагивают контрактильный фенотип, но и также оказывают влияние на мышечную массу.
Недавно было показано, что пути гипертрофической и атрофической передачи сигналов сообщатся с несколькими хабами ('hubs') внутри саркомера. Механические силы, по-видимому, играют важную роль в модулировании конформации и тем самым активности белковых комплексов94, 95. Некоторые транскрипционные факторы и модификаторы транскрипции сообщаются с механосенсорами, внедренными в саркомеры. Z-диск координирует несколько прямых связей с механически модулируемой транскрипционной регуляцией. MOYZ2, негативный регулятор активности calcineurin, по-видимому, чувствителен к механическим воздействиям75. Транскрипционный корегулятор мышечного LIM белка (MLP; также известен как CRP3) слабо ассоциирует с саркомерным цитоскелетом, но транслоцируется в ядро в ответ на механические напряжения, демонстрируя тем самым, что он действует как переносчик механического напряжения, хотя является ли он непосредственным механосенсором всё ещё спорно96-98. CLOCK, ещё один транскрипционный фактор, который также раположен на Z-диске, также участвует в регуляции механически модулируемого взаимодействия циркадного ритма, механической активности и энергетических затрат99 (Fig. 4). Подобно MLP, белок CLOCK, по-видимому, челночно перемещается между Z-дисками и ядром в ответ на механические напряжения и вносит вклад в MYOD-зависимую экспрессию генов в ежедневное циклическое поддержание скелетных мышц взрослых100. Эта активность может быть важной для координации действительного выхода из программы атрофии в соответствии с циркадным ритмом, чтобы предупредить инициацию мышечной атрофии во время сна. Недавняя идентификация core binding factor-β (CBFβ), ключевого элемента JUNB-обеспечиваемой экспрессии генов в Z-диске101 подчеркивает тот факт, что связи между цитоскелетными механическими стрессами и экспрессией анаболических генов, по-видимому, являются характерным признаком контроля постнатального мышечного роста и поддержания. Т.о., некоторые механически чувствительные прямые транскрипционные связи существуют между саркомерным Z-диском и ядром.
Механочувствительные сигнальные комплексы также обнаруживаются в I-полоске (Fig 1). Ankyrin-repeat domain 2 (ANKRD2), cardiac ankyrin repeat protein (CARP) и diabetes-associated ankyrin repeat protein (DARP) - в целом известные как muscle ankyrin repeat proteins (MARPs) - могут формировать комплексы с белками I-полоски titin, myopalladin и calpain 3 (Ref. 102). Этот комплекс чувствителен к растягиванию и мышечным повреждениям и сцеплен с транскрипционными путями, которые контролируют клеточную жизнеспособность экспрессию мышечных генов103, 104 (Fig. 4). Благодаря очень эластичной природе I-band региону titin, вообще-то неудивительно найти механически модулируемые транскрипционные связи в этой области, которая может воспринимать преимущественно пассивное растяжение саркомера.
В M-полосе механически модулируемый киназный домен титина взаимодействует с комплексом белковых продуктов atrogenes NBR1, SQSTM1 и MURFs105, 106. Этот комплекс диссоциирует при механическом аресте, и MURF1 и MURF2 (MURF3 ещё не проанализирован) транслоцируются в цитоплазму и ядро105, 107. SQSTM1 , как было установлено, транслоцируется вместе с MURF1 и MURF2 в ядро в механически арестованных скелетных мышцах107. Одной из возможных ядерных мишеней для MURF является SRF105, 108, 109, этот MURF-индуцируемый ядерный экспорт и транскрипционная репрессия SRF могут вносить вклад в амплификацию транскрипционной программы атрофии105, 107, 110; напр., путем супрессии SRF-зависимой экспрессии miR-486 (Fig. 4). Множественные саркомерные и ядерные локализации MURFs подтверждают их внутриклеточная локализация также может быть важной в координации их разнообразных функций в регуляции оборота белка. Titin может действовать как зависимый от активности тормоз деградации белка за счет супрессии экспрессии или стабильности atrogenes (Fig. 4). И NBR1 и SQSTM1 способствуют аутофагии полиубиквитилированных белков благодаря взаимодействию с LC3 (Refs 111, 112, 113, 114), но субстраты, рекрутируемые ими для деградации, пока не определены. Кроме того, эти белки взаимодействуют с некоторыми протеин киназами помимо titin и, по-видимому, выполняют функции основной передачи сигналов115, 116. MURF1 также, по-видимому, необходим для TNF-индуцированного снижения продукции сил в скелетных мышцах117, указывая тем самым, что передача сигналов MURF может участвовать в реакции на NF-κB-обусловленную атрофию89, что является характерным признаком кахексии118. Прямые связи с гормональными и цитокиновыми рецепторами, такие, как те, что между atrogene SQSTM1 и передачей сигналов TNF рецептора, указывают на сложное взаимодействие механических воздействий и передачи сигналов , сцепленных с рецепторами клеточной поверхности116. Т.о., дифференцированные саркомеры служат в качестве сложного устройства обратной связи для адаптивного ремоделирования контрактильного аппарата и поддерживающего его энергетического метаболизма в ответ на механические нагрузки, а некоторые механически активные регионы обращаются к определенным транскрипционным программам. Возможно, что в дальнейшем такие механо-транскрипционные связи будут установлены.
Hormonal control of muscle growth. Мышечная масса может также регулироваться гормонами. Одним из наиболее выдающихся факторов роста является IGF1, который секретируется миоцитами аутокринным способом в ответ на механические напряжения в качестве мышце-специфического сплайс варианта119, 120 или печенью. Передача сигналов посредством IGF1 рецепторов активирует сигнальный путь PI3K-AKT (Fig. 4) и тем самым репрессирует активность белка FOXO, способствуя мышечному росту. Активности IGF1 на путь AKT противодействует myostatin (также известен как GDF8) (rev. Ref. 121) прежде всего в дифференцированных волокнах 122-124. Значение myostatin в качестве негативного регулятора мышечной массы подчеркивается с помощью повышения его уровней в сыворотке пациентов с сердечной недостаточностью, это ведет к кахексии скелетных мышц, которая полностью блокируется с помощью генетической делеции гена, кодирующего myostatin в таани сердца125, 126. Активируемые myostatin транскрипционные факторы SMAD2 и SMAD3 обеспечивают смену нижестоящей передачи сигналов myostatin на программу атрофии, это также зависит от белков FOXO123 и усиливается за счет ингибирования передачи сигналов AKT и mTOR122. Эти наблюдения указывают на то, пути myostatin и AKT взаимодействуют на клеточном уровне передачи сигналов и транскрипции (Fig. 4). Интересно, что от белка FOXO зависимая атрофия посредством SMAD2 и SMAD3 не зависит от MURF1 и atrogin 1, но также ведет к снижению уровней этих atrogenes122, 123. Неясно, способствует ли атрофии активация др. E3 ubiquitin лигаз или репрессия пути, способствующего гипертрофии.
Др. гормоном, который влияет на мышечную массу является leptin, основной регулятор энергетического потребления и энергетических трат. Leptinкак было установлено, позитивно регулирует мышечную массу путем супрессии активности FOXO3A, демонстрируя, как взаимосвязаны метаболизм мышечной и жировой ткани127(Fig. 4).
Дальнейшая гормональная подпитка AKT-FOXO белка nexus осуществляется с помощью передачи сигналов посредством цитоплазматических стероидных рецепторов, анаболического андрогенного рецептора и катаболического глюкокортикоидного рецептора. Мышечные анаболические эффекты андрогенов давно известны; однако только недавно было показано с использованием нокаутных мышей по мышце-специфическому андрогенному рецептору, что андрогенный рецептор миоцитов необходим для продукции индуцируемой андрогеном изоформы IGF1 , IGF1EA128 и может таким образом регулировать аутокринную и паракринную активацию мышечного AKT сигнального пути (Fig. 4). Напротив, глюкокортикоидный рецептор действует выше FOXO белков и сам регулируется с помощью петли обратной связи посредством IGF1-AKT-активированного mTOR129, создавая таким образом петлю взаимодействия между анаболическими и катаболическими гормональными сигналами. Эта петля обратной связи использует также транскрипционный фактор KLF15, который участвует в нескольких метаболических процессах скелетных мышц. Использование таких перекрестных соединений, чтобы супрессировать нежелательные атрофические эффекты воздействия кортикоидов может быть интересным для практического использования.

Conclusions и perspectives


The versatility и plasticity of striated muscles is due to finely tuned networks of transcription factors и their regulation by extracellular и intracellular cytoskeletal signals. The embryonic origin и the functional remodelling of slow-twitch oxidative or fast-twitch glycolytic muscle fibres has become mechanistically clear. Similarly, the control of muscle mass in response to activity has become clearer by the identification of the major pathways controlling atrogene expression и the cytokine и mechanical stimuli that modulate their activity on the gene и protein levels. Model organisms from nematodes to vertebrates have proved invaluable in outlining these molecular mechanisms. It will now be important to identify how the mechanisms specifying embryonic fibre fates are postnatally modulated by activity-regulated pathways. The redeployment of embryonic factors in postnatal muscle remodelling is an exciting recent development, both for our mechanistic understanding of postnatal adaptation и for the identification of pathways amenable to pharmacological intervention. It is still an open question how muscle stem cells are specified, и how this population is maintained to ensure proper muscle homeostasis under different physiological conditions. Understanding these mechanisms in more detail may lead to the identification of molecular targets that could be exploited to direct cellular therapies for muscular dystrophies, which are partly manifested by depletion of the satellite cell pool. Similarly, preventing dysfunction or decline of the number of satellite cells during ageing could ameliorate sarcopenia, a major cause of age-related disability.
Many of the pathways controlling postnatal muscle adaptation и remodelling also operate in the heart. Indeed, research on skeletal muscle has spearheaded the research on muscle remodelling и brought the molecular analysis of cardiac atrophy и remodelling to a new level. However, we still need to understand the complex interplay of hypertrophic и atrophic factors, the nuclear roles of atrogenes и the intriguing role of circadian rhythm transcription factors in coordinating muscle growth. This information will be increasingly important for the development of new muscle therapeutics.
The emerging pivotal role of miRNAs in muscle development и postnatal remodelling adds additional layers of complexity, if not even complications, to the analysis и understanding of the molecular networks of these processes. However, exploiting miRNAs in pathological states — for example, miR-206 in rhabdomyosarcoma or miR-1 и miR-486 in muscle atrophy — could open the door to a whole new class of therapeutics with a wide range of applications. The technical problems of implementing nucleic acids as therapeutic agents are by no means trivial, и the promise of miRNAs in therapy will therefore probably face practical challenges. It seems logical и tempting to target the downstream effectors of atrophic pathways, the protein products of the atrogenes, in the pursuit of small-molecule drugs against atrophy. Indeed, a small-molecule inhibitor of MURF1 that is active in cultured muscle cells was recently reported, suggesting that MURFs might indeed be accessible pharmacological targets130. However, targeting MURFs may lead to unexpected physiological effects, as MURFs are expressed early at the onset of muscle differentiation109, 131, show high homology и have a probable role in protein homeostasis. Furthermore, a recent report showed that mutations in MURF1 cause cardiac disease132. Harnessing the past research on muscle development и signalling for therapeutic purposes is therefore likely to depend on further insights into the basic mechanisms of these complex regulatory networks.
Сайт создан в системе uCoz