Миогенез — образование скелетной мышечной ткани , особенно во время эмбрионального развития .
Мышечные волокна обычно формируются путем слияния предшественников миобластов в многоядерные волокна, называемые миотубками . На ранних стадиях развития эмбриона миобласты могут либо пролиферировать , либо дифференцироваться в мышечную трубку. Что контролирует этот выбор in vivo, в целом неясно. При помещении в культуру клеток большинство миобластов будут пролиферировать, если в среде, окружающей клетки, присутствует достаточное количество фактора роста фибробластов (FGF) или другого фактора роста. Когда фактор роста заканчивается, миобласты перестают делиться и подвергаются терминальной дифференцировке в мышечные трубки. Дифференцировка миобластов протекает поэтапно. Первый этап включает выход клеточного цикла и начало экспрессии определенных генов.
Второй этап дифференцировки включает выравнивание миобластов друг с другом. Исследования показали, что даже миобласты крыс и кур могут распознавать и выравнивать друг друга, что предполагает эволюционную консервацию вовлеченных механизмов. [1]
Третий этап — это собственно слияние клеток . На этом этапе наличие ионов кальция имеет решающее значение. Слиянию у людей способствует набор металлопротеиназ , кодируемых геном ADAM12 , и множество других белков. Слияние включает привлечение актина к плазматической мембране с последующим плотным прилеганием и образованием поры, которая впоследствии быстро расширяется.
Новые гены и их белковые продукты, которые экспрессируются в ходе этого процесса, активно исследуются во многих лабораториях. Они включают:
Существует ряд стадий (перечисленных ниже) развития мышц или миогенеза. [4] Каждая стадия имеет различные генетические факторы, отсутствие которых приводит к мышечным дефектам.
.jpg/1280px-Patient_with_Waardenburg-Klein_syndrome_(1916).jpg)
Связанные генетические факторы: мутации PAX3 и c-Met
в PAX3 могут вызывать нарушение экспрессии c-Met. Такая мутация приведет к отсутствию боковой миграции.
PAX3 опосредует транскрипцию c-Met и отвечает за активацию экспрессии MyoD — одна из функций MyoD заключается в стимулировании регенеративной способности сателлитных клеток (описано ниже). [4] PAX3 обычно экспрессируется на самых высоких уровнях во время эмбрионального развития и в меньшей степени на эмбриональных стадиях; он экспрессируется в мигрирующих гипаксиальных клетках и клетках дермомиотома, но совсем не экспрессируется во время развития лицевых мышц . [4] Мутации в Pax3 могут вызывать различные осложнения, включая синдром Ваарденбурга I и III, а также синдром черепно-лицевой глухоты и рук. [4] Синдром Ваарденбурга чаще всего связан с врожденными нарушениями, затрагивающими кишечный тракт и позвоночник, подъемом лопатки и другими симптомами. Каждая стадия имеет различные связанные генетические факторы, без которых могут возникнуть мышечные дефекты. [4]
Связанные генетические факторы: c-Met / HGF и LBX1
Мутации в этих генетических факторах вызывают отсутствие миграции.
LBX1 отвечает за развитие и организацию мышц дорсальной части передней конечности, а также за движение дорсальных мышц в конечность после расслаивания . [4] Без LBX1 мышцы конечностей не смогут правильно формироваться; исследования показали, что эта делеция серьезно влияет на мышцы задних конечностей, в то время как в мышцах передних конечностей в результате миграции вентральных мышц формируются только мышцы-сгибатели. [4]
c-Met представляет собой тирозинкиназный рецептор , необходимый для выживания и пролиферации мигрирующих миобластов. Недостаток c-Met нарушает вторичный миогенез и, как и в случае LBX1, предотвращает формирование мускулатуры конечностей. [4] Очевидно, что c-Met играет важную роль в расслоении и распространении в дополнение к миграции. PAX3 необходим для транскрипции c-Met. [4]
Связанные генетические факторы: PAX3 , c-Met , Mox2, MSX1 , Six, Myf5 и MyoD.
Mox2 (также называемый MEOX-2) играет важную роль в индукции мезодермы и региональной спецификации . [4] Нарушение функции Mox2 предотвратит пролиферацию миогенных предшественников и приведет к аномальному паттерну мышц конечностей. [5] В частности, исследования показали, что задние конечности значительно уменьшаются в размерах, в то время как определенные мышцы передних конечностей не формируются. [4]
Myf5 необходим для правильной пролиферации миобластов. [4] Исследования показали, что развитие мышц у мышей в межреберных и параспинальных областях может быть задержано путем инактивации Myf-5. [4] Myf5 считается самым ранним геном регуляторного фактора, экспрессируемым в миогенезе. Если Myf-5 и MyoD оба инактивированы, скелетные мышцы будут полностью отсутствовать. [4] Эти последствия еще больше раскрывают сложность миогенеза и важность каждого генетического фактора в правильном развитии мышц.
Связанные генетические факторы: Myf5 и MyoD.
Один из наиболее важных этапов детерминации миогенеза требует, чтобы Myf5 и MyoD функционировали должным образом, чтобы миогенные клетки могли нормально развиваться. Мутации любого связанного генетического фактора приведут к тому, что клетки приобретут немышечные фенотипы. [4]
Как указывалось ранее, комбинация Myf5 и MyoD имеет решающее значение для успеха миогенеза. И MyoD, и Myf5 являются членами семейства транскрипционных факторов миогенных белков bHLH (основная спираль-петля-спираль). [6] Клетки, которые производят миогенные факторы транскрипции bHLH (включая MyoD или Myf5), стремятся развиваться как мышечные клетки. [7] Следовательно, одновременное удаление Myf5 и MyoD также приводит к полному отсутствию формирования скелетных мышц . [7] Исследования показали, что MyoD напрямую активирует собственный ген; это означает, что полученный белок связывается с геном myoD и продолжает цикл производства белка MyoD. [7] Между тем, экспрессия Myf5 регулируется Sonic hedgehog , Wnt1 и самим MyoD. [4] Отмечая роль MyoD в регуляции Myf5, становится ясной решающая взаимосвязь двух генетических факторов. [4]
Связанные генетические факторы: Myogenin , Mcf2, Six, MyoD и Myf6.
Мутации в этих связанных генетических факторах предотвращают развитие и созревание миоцитов.
Миогенин (также известный как Myf4) необходим для слияния миогенных клеток-предшественников с новыми или ранее существовавшими волокнами. [4] В целом, миогенин связан с усилением экспрессии генов, которые уже экспрессируются в организме. Удаление миогенина приводит к почти полной потере дифференцированных мышечных волокон и серьезной потере массы скелетных мышц в латеральной/вентральной стенке тела. [4]
Myf-6 (также известный как MRF4 или Геркулин) важен для дифференцировки мышечных трубок и специфичен для скелетных мышц. [4] Мутации в Myf-6 могут провоцировать расстройства, включая центронуклеарную миопатию и мышечную дистрофию Беккера . [4]
Связанные генетические факторы: LBX1 и Mox2.
При формировании определенных мышц мутации связанных генетических факторов начинают влиять на определенные мышечные области. Из-за его большой ответственности за перемещение дорсальных мышц в конечность после расслоения, мутация или делеция Lbx1 приводит к дефектам в мышцах-разгибателях и задних конечностях. [4] Как указано в разделе «Пролиферация», делеция или мутация Mox2 вызывает аномальное формирование паттерна мышц конечностей. Последствия этого аномального паттерна включают резкое уменьшение размеров задних конечностей и полное отсутствие мышц передних конечностей. [4]
Сопутствующие генетические факторы: Мутации PAX7
в Pax7 предотвращают образование сателлитных клеток и, в свою очередь, предотвращают постнатальный рост мышц. [4]
Сателлитные клетки описываются как покоящиеся миобласты и сарколеммы соседних мышечных волокон . [4] Они имеют решающее значение для восстановления мышц, но имеют очень ограниченную способность к репликации. Активируемые такими раздражителями, как травма или высокая механическая нагрузка, сателлитные клетки необходимы для регенерации мышц у взрослых организмов. [4] Кроме того, сателлитные клетки обладают способностью дифференцироваться в кости или жир. Таким образом, сателлитные клетки играют важную роль не только в развитии мышц, но и в поддержании мышечной массы в зрелом возрасте. [4]
Во время эмбриогенеза дермомиотом и/или миотом сомитов содержат миогенные клетки-предшественники , которые эволюционируют в проспективные скелетные мышцы. [8] Определение дермомиотома и миотома регулируется генной регуляторной сетью, которая включает члена семейства T-box , tbx6, ripply1 и mesp-ba. [9] Скелетный миогенез зависит от строгой регуляции различных субпопуляций генов, чтобы дифференцировать миогенные предшественники в миофибриллы. Основные факторы транскрипции спираль-петля-спираль (bHLH), MyoD, Myf5, миогенин и MRF4 имеют решающее значение для его формирования. MyoD и Myf5 обеспечивают дифференцировку миогенных предшественников в миобласты, за которыми следует миогенин, который дифференцирует миобласты в миотубы. [8] MRF4 важен для блокирования транскрипции специфичных для мышц промоторов, позволяя предшественникам скелетных мышц расти и пролиферировать перед дифференцировкой.
Происходит ряд событий, которые способствуют спецификации мышечных клеток в сомитах. Как в латеральной, так и в медиальной областях сомита паракринные факторы побуждают клетки миотома вырабатывать белок MyoD, тем самым заставляя их развиваться как мышечные клетки. [10] Фактор транскрипции ( TCF4 ) фибробластов соединительной ткани участвует в регуляции миогенеза. В частности, он регулирует тип развивающихся мышечных волокон и их созревание. [4] Низкие уровни TCF4 способствуют как медленному, так и быстрому миогенезу, в целом способствуя созреванию типов мышечных волокон. Тем самым это показывает тесную связь мышц с соединительной тканью в период эмбрионального развития. [11]
Регуляция миогенной дифференцировки контролируется двумя путями: путем фосфатидилинозитол-3-киназы /Akt и путем Notch /Hes, которые совместно подавляют транскрипцию MyoD. [6] Подсемейство O белков forkhead ( FOXO ) играет решающую роль в регуляции миогенной дифференцировки, поскольку они стабилизируют связывание Notch/Hes. Исследования показали, что нокаут FOXO1 у мышей увеличивает экспрессию MyoD, изменяя распределение быстрых и медленных волокон. [6]
Первичные мышечные волокна происходят из первичных миобластов и имеют тенденцию развиваться в медленные мышечные волокна. [4] Вторичные мышечные волокна затем формируются вокруг первичных волокон во время иннервации. Эти мышечные волокна образуются из вторичных миобластов и обычно развиваются как быстрые мышечные волокна. Наконец, образующиеся позже мышечные волокна возникают из сателлитных клеток. [4]
Двумя генами, значимыми для слияния мышц, являются Mef2 и фактор транскрипции твист . Исследования показали, что нокаут Mef2C у мышей приводит к мышечным дефектам развития сердца и гладких мышц, особенно при сращении. [12] Ген твиста играет роль в дифференцировке мышц.
Ген SIX1 играет решающую роль в дифференцировке гипаксиальных мышц при миогенезе. У мышей, лишенных этого гена, тяжелая мышечная гипоплазия затрагивала большинство мышц тела, особенно гипаксиальные мышцы. [13]
Во время миогенеза вырабатываются 3 типа белков. [5] Белки класса А наиболее распространены и синтезируются непрерывно на протяжении всего миогенеза. Белки класса B — это белки, которые возникают во время миогенеза и продолжаются на протяжении всего развития. Белки класса C — это те, которые синтезируются в определенные моменты развития. Также во время миогенеза были идентифицированы 3 различные формы актина .
Sim2, транскрипционный фактор BHLH-Pas, ингибирует транскрипцию путем активной репрессии и демонстрирует повышенную экспрессию в мышечных массах вентральных конечностей во время эмбрионального развития кур и мышей. Это достигается путем подавления транскрипции MyoD путем связывания с областью энхансера и предотвращения преждевременного миогенеза. [14]
Экспрессия Delta1 в клетках нервного гребня необходима для мышечной дифференцировки сомитов посредством сигнального пути Notch . Прирост и потеря этого лиганда в клетках нервного гребня приводит к задержке или преждевременному миогенезу. [15]
Значение альтернативного сплайсинга было выяснено с помощью микроматричного анализа дифференцирующихся миобластов C2C12 . [16] 95 событий альтернативного сплайсинга происходят во время дифференцировки C2C12 в миогенезе. Следовательно, в миогенезе необходим альтернативный сплайсинг .
Системный подход — это метод, используемый для изучения миогенеза, который использует ряд различных методов, таких как технологии высокопроизводительного скрининга , полногеномные клеточные анализы и биоинформатика , для выявления различных факторов системы. [8] Это специально использовалось при исследовании развития скелетных мышц и выявлении их регуляторной сети.
Системный подход с использованием высокопроизводительного секвенирования и анализа ChIP-чипов сыграл важную роль в выяснении целей миогенных регуляторных факторов, таких как MyoD и миогенин, их взаимосвязанных мишеней, а также того, как MyoD действует, изменяя эпигеном в миобластах и мышечных трубках. [8] Это также выявило значение PAX3 в миогенезе и то, что он обеспечивает выживание миогенных предшественников. [8]
Этот подход, использующий высокопроизводительный клеточный анализ трансфекции и гибридизацию in situ , был использован для идентификации миогенного регулятора RP58 и гена дифференцировки сухожилий, гомеобокса ирокеза. [8]