Миогенез — это образование скелетной мышечной ткани , особенно во время эмбрионального развития .
Мышечные волокна обычно формируются путем слияния предшественников миобластов в многоядерные волокна, называемые миотрубочками . На раннем этапе развития эмбриона миобласты могут либо пролиферировать , либо дифференцироваться в миотрубочку. Что контролирует этот выбор in vivo, в целом неясно. При помещении в клеточную культуру 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 прекращают деление и подвергаются терминальной дифференциации в миотрубочки. Дифференциация миобластов происходит поэтапно. Первая стадия включает выход из клеточного цикла и начало экспрессии определенных генов.
Вторая стадия дифференциации включает в себя выравнивание миобластов друг с другом. Исследования показали, что даже миобласты крысы и цыпленка могут распознавать и выравниваться друг с другом, что предполагает эволюционное сохранение задействованных механизмов. [1]
Третий этап — это собственно слияние клеток . На этом этапе присутствие ионов кальция имеет решающее значение. Слияние у людей осуществляется набором металлопротеиназ, кодируемых геном ADAM12 , и множеством других белков. Слияние включает в себя привлечение актина к плазматической мембране , за которым следует тесное прилегание и создание 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 связанные генетические факторы, отсутствие которых приведет к мышечным дефектам.
.jpg/1280px-Patient_with_Waardenburg-Klein_syndrome_(1916).jpg)
Ассоциированные генетические факторы: PAX3 и c-Met
Мутации в PAX3 могут вызвать сбой в экспрессии c-Met. Такая мутация приведет к отсутствию латеральной миграции.
PAX3 опосредует транскрипцию c-Met и отвечает за активацию экспрессии MyoD — одной из функций MyoD является содействие регенеративной способности сателлитных клеток (описано ниже). [4] PAX3 обычно экспрессируется на самых высоких уровнях во время эмбрионального развития и экспрессируется в меньшей степени на стадиях плода; 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 краниофациальной глухоты и руки. [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 возникнут мышечные дефекты. [4]
Ассоциированные генетические факторы: c-Met / HGF и LBX1
Мутации в этих генетических факторах приводят к отсутствию миграции.
LBX1 отвечает за развитие и организацию мышц в дорсальной части передней конечности, а также за движение дорсальных мышц в конечность после расслоения . [4] Без LBX1 мышцы конечностей не будут формироваться должным образом; исследования показали, что мышцы задних конечностей серьезно страдают от этой делеции, в то время как в мышцах передних конечностей в результате миграции вентральных мышц формируются только мышцы-сгибатели. [4]
c-Met — это тирозинкиназный рецептор , который необходим для выживания и пролиферации мигрирующих миобластов. Недостаток c-Met нарушает вторичный миогенез и, как в случае LBX1, препятствует формированию мускулатуры конечностей. [4] Очевидно, что c-Met играет важную роль в расслоении и пролиферации в дополнение к миграции. PAX3 необходим для транскрипции c-Met. [4]
Ассоциированные генетические факторы: PAX3 , c-Met , Mox2, MSX1 , Six, Myf5 и MyoD
Mox2 (также известный как MEOX-2) играет важную роль в индукции мезодермы и региональной спецификации . [4] Нарушение функции Mox2 предотвратит пролиферацию миогенных предшественников и вызовет аномальное формирование 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 экспрессируемым геном регуляторного фактора в миогенезе. Если Myf-5 и MyoD оба инактивированы, будет полное отсутствие скелетных мышц. [4] Эти последствия еще больше раскрывают сложность миогенеза и важность каждого генетического фактора в правильном развитии мышц.
Ассоциированные генетические факторы: Myf5 и MyoD
Один из важнейших этапов определения миогенеза требует, чтобы и Myf5, и MyoD функционировали должным образом, чтобы миогенные клетки нормально прогрессировали. Мутации в любом из ассоциированных генетических факторов заставят клетки принять немышечные фенотипы. [4]
Как было сказано ранее, сочетание Myf5 и MyoD имеет решающее значение для успеха миогенеза. И MyoD, и Myf5 являются членами семейства факторов транскрипции миогенных белков bHLH (базовая спираль-петля-спираль). [6] Клетки, которые производят миогенные факторы транскрипции bHLH (включая MyoD или Myf5), стремятся к развитию в качестве мышечной клетки. [7] Следовательно, одновременная делеция Myf5 и MyoD также приводит к полному отсутствию формирования скелетных мышц . [7] Исследования показали, что MyoD напрямую активирует свой собственный ген; это означает, что созданный белок связывает ген 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]
Ассоциированные генетические факторы: миогенин , Mcf2, Six, MyoD и Myf6
Мутации в этих ассоциированных генетических факторах будут препятствовать развитию и созреванию миоцитов.
Миогенин (также известный как Myf4) необходим для слияния миогенных клеток-предшественников с новыми или ранее существующими 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 скелетной мышечной массы в боковой/вентральной стенке тела. [4]
Myf-6 (также известный как MRF4 или геркулин) важен для дифференциации миотрубочек и специфичен для скелетных мышц. [4] Мутации в Myf-6 могут вызывать расстройства, включая центронуклеарную миопатию и мышечную дистрофию Беккера . [4]
Ассоциированные генетические факторы: LBX1 и Mox2
При формировании определенных мышц мутации в ассоциированных генетических факторах начинают влиять на определенные мышечные области. Из-за его большой ответственности за движение дорсальных мышц в конечности 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 мышц конечностей. Последствия этого аномального формирования включают сильное уменьшение размера задних конечностей и полное отсутствие мышц передних конечностей. [4]
Ассоциированные генетические факторы: Мутации в гене Pax7
предотвращают образование сателлитных клеток и, в свою очередь, предотвращают постнатальный рост мышц. [4]
Клетки-сателлиты описываются как покоящиеся миобласты и соседние мышечные волокна сарколеммы . [4] Они имеют решающее значение для восстановления мышц, но имеют очень ограниченную способность к репликации. Активируемые стимулами, такими как травма или высокая механическая нагрузка, клетки-сателлиты необходимы для регенерации мышц у взрослых организмов. [4] Кроме того, клетки-сателлиты также обладают способностью дифференцироваться в кость или жир. Таким образом, клетки-сателлиты играют важную роль не только в развитии мышц, но и в поддержании мышц в течение всей взрослой жизни. [4]
Во время эмбриогенеза дермомиотом и/или миотом в сомитах содержат миогенные клетки-предшественники, которые разовьются в будущую скелетную мышцу. [8] Определение дермомиотома и миотома регулируется сетью регуляции генов, которая включает члена семейства T-box , tbx6, ripply1 и mesp-ba. [9] Скелетный миогенез зависит от строгой регуляции различных подмножеств генов для дифференциации миогенных предшественников в миофибриллы. Основные факторы транскрипции спираль-петля-спираль (bHLH), MyoD, Myf5, миогенин и MRF4, имеют решающее значение для его формирования. MyoD и Myf5 обеспечивают дифференциацию миогенных предшественников в миобласты, за которыми следует миогенин, который дифференцирует миобласт в миотубы. [8] MRF4 важен для блокирования транскрипции специфичных для мышц промоторов, позволяя предшественникам скелетных мышц расти и размножаться до дифференциации.
Существует ряд событий, которые происходят для того, чтобы ускорить спецификацию мышечных клеток в сомите. Как для латеральных, так и для медиальных областей 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 развивающегося мышечного волокна и его созревание. [4] Низкие уровни TCF4 способствуют как медленному, так и быстрому миогенезу, в целом способствуя созреванию типа мышечного волокна. Таким образом, это показывает тесную связь мышц с соединительной тканью во время эмбрионального развития. [11]
Регуляция миогенной дифференциации контролируется двумя путями: путем фосфатидилинозитол 3-киназы /Akt и путем Notch /Hes, которые работают совместно, подавляя транскрипцию MyoD. [6] Подсемейство O белков forkhead ( FOXO ) играет важную роль в регуляции миогенной дифференциации, поскольку они стабилизируют связывание Notch/Hes. Исследования показали, что нокаут FOXO1 у мышей увеличивает экспрессию MyoD, изменяя распределение быстро и медленно сокращающихся 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 вблизи времени иннервации. Эти мышечные волокна формируются из вторичных миобластов и обычно развиваются как быстрые мышечные волокна. Наконец, мышечные волокна, которые формируются позже, возникают из сателлитных клеток. [4]
Два гена, значимых для слияния мышц, — это Mef2 и фактор транскрипции twist . Исследования показали, что нокауты Mef2C у мышей приводят к мышечным дефектам в развитии сердечной и гладкой мускулатуры, особенно при слиянии. [12] Ген twist играет роль в дифференциации мышц.
Ген SIX1 играет решающую роль в дифференциации гипаксиальных мышц в миогенезе. У мышей, лишенных этого гена, тяжелая гипоплазия мышц затронула большинство мышц тела, в частности гипаксиальные мышцы. [13]
В миобластах PtdIns5P, вырабатываемый липидной фосфатазой MTM1, быстро метаболизируется PI5P 4-киназой α в PI(4,5)P2, который накапливается на плазматической мембране. Это накопление способствует образованию подосомоподобных выступов, где локализуется фузоген Myomaker, играющий решающую роль в пространственно-временной регуляции слияния миобластов. [14]
Существует 3 типа белков, которые производятся во время миогенеза. [5] Белки класса A являются наиболее распространенными и синтезируются непрерывно на протяжении всего миогенеза. Белки класса B — это белки, которые инициируются во время миогенеза и продолжаются на протяжении всего развития. Белки класса C — это те, которые синтезируются в определенные моменты во время развития. Также во время миогенеза были идентифицированы 3 различные формы актина .
Sim2, фактор транскрипции BHLH-Pas, подавляет транскрипцию путем активной репрессии и демонстрирует повышенную экспрессию в вентральных мышечных массах конечностей во время эмбрионального развития цыплят и мышей. Он достигает этого путем репрессии транскрипции MyoD путем связывания с областью энхансера и предотвращает преждевременный миогенез. [15]
Экспрессия Delta1 в клетках нервного гребня необходима для мышечной дифференциации сомитов через сигнальный путь Notch . Приобретение и утрата этого лиганда в клетках нервного гребня приводит к задержке или преждевременному миогенезу. [16]
Значимость альтернативного сплайсинга была выяснена с помощью микроаранжированного анализа дифференцирующихся миобластов C2C12 . [17] 95 событий альтернативного сплайсинга происходят во время дифференциации C2C12 в миогенезе. Следовательно, альтернативный сплайсинг необходим в миогенезе.
Системный подход — это метод, используемый для изучения миогенеза, который манипулирует рядом различных методов, таких как технологии высокопроизводительного скрининга , полногеномные клеточные анализы и биоинформатика , для выявления различных факторов системы. [8] Это было специально использовано при исследовании развития скелетных мышц и идентификации их регуляторной сети.
Системный подход с использованием высокопроизводительного секвенирования и анализа ChIP-chip сыграл важную роль в выявлении целей миогенных регуляторных факторов, таких как MyoD и миогенин, их взаимосвязанных целей и того, как MyoD действует, изменяя эпигеном в миобластах и миотрубочках. [8] Это также выявило значимость PAX3 в миогенезе и то, что он обеспечивает выживание миогенных предшественников. [8]
Этот подход, использующий клеточный высокопроизводительный анализ трансфекции и гибридизацию in situ на целых образцах , был использован для идентификации миогенетического регулятора RP58 и гена дифференцировки сухожилий, гомеобокса Mohawk. [8]