Механозависимый фактор роста, миосателлитоциты и повреждения мышечной ткани

Миосателлитоциты или клетки-спутники скелетной мышцы были впервые описаны в 1961 г. (Маиго, 1961). Сейчас уже установлено, что эти клетки обеспечивают постнатальный рост мышечной ткани (Moss, Leblond, 1970; Schultz, 1996), а также принимают участие в регенерации мышечных волокон после локальных травм (Grounds, 1998). В норме в зрелом возрасте при отсутствии травм миосателлитоциты находятся в спокойном состоянии и обычно располагаются сразу под базальной пластинкой. При активации в этих клетках происходит образование М-кадхерина (M-cad) (Borncmann, Schmalbruch, 1994; Irintchcv et al., 1994), а также начинается образование миогенных факторов, в частности c-met, MyoD и myf5, а позднее и миогенина (Cornelison, Wold, 1997; Beauchamp et аЦ 2000; Qu-Petersen et al., 2002). Происхождение миосателлитоцитов пока остается неясным, поскольку считается, что они представляют собой остаточные миобласты (см. обзор Seale, Rudnicki, 2000). Вместе с тем накапливаются данные, что они могут брать свое начало также от плюринотентниых стволовых клеток, происходящих от клеток-предшественников сосудистой сети (Qu-Petersen ct al., 2002). Показано, что плюрипотентные стволовые клетки из костного мозга (Ferrari et al., 1998), а также эпидермальные клетки (Руе, Watt, 2001) при помещении в дистрофическую мышцу способны приобретать фенотип мышечного волокна.

Установлено, что даже в нормальной мышце время от времени происходят местные повреждения (Wernig et al., 1990), однако при определенных заболеваниях, например мышечных дистрофиях, мышечные волокна подвержены повреждениям гораздо сильнее, особенно в области мембраны (Cohn, Campbell, 2000). Сократительный аппарат мышечных волокон также может получать повреждения при эксцентрических сокращениях, т. с. при активации мышцы в растянутом состоянии. Следует отметить, что усилие, генерируемое при активации мышцы в сочетании с растягиванием, превосходит по величине даже усилие максимального изометрического сокращения. В активированном мышечном волокне саркомеры могут растягиваться в стороны с таким усилием, что зона перекрывания актиновых и миозиновых филаментон просто исчезает; это и приводит к повреждению (Lieber, Friden, 1999).

Во время регенерации скелетной мышцы у молодых крыс после травмы, индуцированной ишемией или миотоксином, наблюдается повышение образования ИФР-1 (Jennische, Hansson, 1987; Jennische et al., 1987; Edwall et al., 1989), которое постепенно сходит на нет на 15-й день восстановления (Marsh et al., 1997). Впервые было проведено исследование изменений ИФР-1, IGF-IEa и МФР под влиянием подобных стимулов, а также установлена их взаимосвязь с активацией клеток-спутников (стволовых) in vivo (Hill, Goldspink, 2003). Результаты этих экспериментов, в которых повреждение мышечных волокон индуцировали с использованием бупивакаина, демонстрируют всплеск образования мРНК IGF-IEa, который достигал максимума на 11-й день и затем снижался практически до того же уровня, который наблюдался у контрольных животных. Однако усиление экспрессии мРНК МФР происходило намного раньше, она достигала пика па 4-й день после инъекции бупивакаипа и затем постепенно снижалась. После механической травмы максимальный уровень образования мРНК МФР наблюдался даже еще раньше. Похоже, что в обоих случаях — при индуцированной миотоксином и при вызванной механической активностью травмах — наблюдается однотипный временной характер экспрессии различных вариантов ИФР-1, а именно образования МФР достигает максимума раньше, чем IGF-IEa. Эти временные различия в образовании двух мышечных мРНК ИФР-1 были описаны и у крыс после начала выполнения двигательной активности силовой направленности (Haddad, Adams, 2002). Экспрессия M-cad при оценке как по уровню мРНК, так и по белку достигала своего пика раньше IGF-IEa, поэтому маловероятно, что системный IGF-IEa принимает участие в первоначальной активации клеток-спутников. Однако на основании этих данных невозможно сказать, не являются ли они следствием увеличения количества миосателлитоцитов, поскольку показано, что в этих клетках в состоянии покоя обнаруживается некоторое количество M-cad (Rosenblatt et al., 1994). Тем не менее они свидетельствуют о существенном увеличении M-cad, независимо от того, связано ли это с повышением образования в существующих клетках-спутниках или обусловлено увеличением их количества, либо одновременно обоими факторами.

Из МФР и IGF-IEa в результате образуется один и тот же зрелый белок, последовательность которого кодируется высококонсервативными 3 и 4 эк-зонами гена ИФР-1. Последовательности, кодируемые этими экзонами, присутствуют во всех известных вариантах альтернативного синтеза ИФР и кодируют компонент, отвечающий за связывание с рецептором ИФР-1. Механизм внеклеточного эндопротеолиза прогормона ИФР-1 приводит к образованию одного и того же зрелого белка (Gilmour, 1994), даже несмотря на то, что различные варианты ИФР-1 имеют разные З'-структуры, в том числе и Е-компонент. Было высказано предположение, что предшественники ИФР-1 могут быть плюрипотентными, как и в случае прогормона проопиомеланокортина и проглюкагона (Siegfried et al., 1992). Следует отметить, что синтетический пептид, полученный из Е-компонента IGF-IEb крысы, способен индуцировать пролиферацию эпителиальных клеток (Siegfried et al., 1992). Стимуляция ростовых процессов изолированным Е-компонентов МФР и его роль в качестве самостоятельного ростового фактора подтверждается проведенными недавно экспериментами на клеточных культурах, в которых было показано, что стабильная трансфекция клеток МФР стимулирует пролиферацию миобластов и подавляет их дифференцировку. Добавление синтетического белка МФР либо среды, на которой выращивались трансфецированные МФР клетки, к нормальным С2С12 клеткам также приводило к ингибированию их дифференцировки. Тем не менее эффект ингибирования имел обратимый характер и пропадал после замены среды на свежую. В то же время в позитивных клопах клеток печени, трансфецированных системным ИФР-1 (IGF-IEa), происходило формирование мышечных волокон. Такая же картина под влиянием этой изоформы ИФР-I наблюдалась и в нормальных клетках: у них отмечалось замедление роста и формирование мышечных волокон. Особый интерес вызывают результаты экспериментов, в которых к культуре мышечных клеток добавляли антитела к рецептору ИФР-I. При этом не происходило угнетения пролиферации клеток индуцированного МФР, в то время как стимулирующий эффект ИФР-I на увеличение клеточной массы и формирование мышечных волокон был заметно ослаблен. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что МФР помимо сигнальной системы рецептора ИФР-I активирует также и другие сигнальные пути (Yang, Goldspink, 2002).

Результаты этих исследований позволяют еще раз убедиться в комплексном участии системы ИФР-I в процессах восстановления мышечной ткани после повреждений. Как показано, IGF-IEa и МФР вырабатываются функционально активной мышечной тканью у грызунов и человека и являются позитивными регуляторами гипертрофии мышц (МсКоу et al., 1999; Goldspink, 2001; Owino et al., 2001; Hameed et al., 2003). Однако, как отмечалось выше, изменения уровня МФР представляют собой срочный ответ, в то время как IGF-IEa обладает замедленным действием и оказывает свои эффекты на поздних стадиях регенерации. При сравнении механического повреждения и повреждения, индуцированного миотоксином, становится очевидным, что в обоих случаях происходит относительно быстрая экспрессия МФР, хотя теперь уже может показаться, что этот ростовой/регенеративный фактор получил свое название “механозависимый” по ошибке. Однако даже в случае повреждения мышц миотоксином остается вероятность того, что поврежденная ткань подвергается повышенной механической нагрузке. Известно также, что ткани после повреждения отекают, что приводит к одному и тому же клеточному ответу. Поскольку образование аутокринного варианта альтернативного синтеза ИФР-I МФР предшествует активации миосателлитоцитов, вполне вероятно, что именно эта форма ростового фактора, а не системный IGF-IEa, имеет отношение к активации клеток-спутников. Это предположение согласуется с результатами, показывающими, что в дистрофических мышцах нормальная экспрессия МФР нарушена (Goldspink, 1996), а у пожилых людей ответные изменения уровня мРНК МФР после механической нагрузки заметно ослаблены (Owino et al., 2001). В обоих этих ситуациях, которые характеризуются нарушением восстановительных процессов в мышечной ткани, наблюдается недостаток активных миосател- литоцитов. В настоящее время проводятся дальнейшие эксперименты, направленные на изучение экспрессии этих двух изоформ ИФР-I, а также активации миосателлитоцитов в молодых и старых мышцах после терапевтического применения МФР и IGF-IEa с целью предотвращения утраты мышечной массы.