От медленных к быстрым. Гипогравитационная перестройка миозинового фенотипа мышечных волокон

Полный текст

Светлой памяти Ксении Бессарионовны Шаповаловой, вместе с которой автор исследовал стриопаллидар ный контроль миозинового фенотипа ВВЕДЕНИЕ. МИОЗИНОВЫЙ ФЕНОТИП Типы волокон скелетных мышц исследуются фи зиологами с 1873 года [1], когда было установлено, что в состав мышц входят волокна с различными функциональными свойствами, которые распола гаются мозаичным образом. «Медленные» волокна характеризуются высокой устойчивостью к утомле нию и большей продолжительностью сокращения, но пониженной максимальной силой и скоростью сокращения. «Быстрые» волокна обладают высокой скоростью и большой силой сокращения, но быстрой утомляемостью. В последние десятилетия стало из вестно, что эти свойства определяются преоблада ющей изоформой тяжелых цепей миозина (ТЦМ). Известно четыре изоформы и соответственно четы ре типа волокон: I - «медленный»; IIА - «быстрый»; IId/x - «быстрый» и самый «быстрый» - IIB, пред ставленный только в мышцах мелких млекопитаю щих [2] (рис. 1, таблица). Изоформы миозина, пре обладающие в волокне, определяют его миозиновый фенотип, а соотношение волокон различного типа составляет композицию мышцы или ее миозиновый фенотип. Помимо волокон, в которых доминирует ка кой-либо определенный тип изоформ ТЦМ, в мышцах присутствуют волокна, содержащие две (или боль ше) разные изоформы ТЦМ. Такие волокна называют гибридными. Экспрессия каждой из изоформ миози на детерминируется иннервацией волокон. Волокна, иннервированные одним мотонейроном, составляют двигательную единицу и в подавляющем большин стве случаев характеризуются единым миозиновым фенотипом [3]. Позно-тонические, или постуральные мышцы, имеющие высокий тонус и поддерживающие позу организма в условиях нормального гравитацион ного поля, содержат наибольшее количество волокон медленного типа I. Согласно современным представлениям мотонейрон, управляя волокнами с помощью паттерна импульсации (10 Гц для «медленных» и 50- 60 Гц для «быстрых» двигательных единиц) и секре ции соответствующих нейротрофических агентов, влияет на экспрессию миозиновых генов, т.е. на мио зиновый фенотип волокна [3, 4]. Миозиновый фенотип весьма стабилен, однако су ществуют воздействия, способные существенно изме нить экспрессию миозиновых генов и обусловить тем самым трансформацию медленных волокон в быстрые или наоборот. Например, низкочастотная электро стимуляция в течение нескольких недель приводит к появлению около 30-40% волокон медленного типа в преимущественно «быстрых» мышцах [4]. Такой же эффект в «быстрой» мышце голени m. plantaris на блюдается у животного с удаленной или тенотомиро ванной трехглавой мышцей голени, т.е. с так называ емой компенсаторной перегрузкой [4]. Во всех этих случаях ведущую роль в изменении миозинового фе нотипа приписывают изменению паттерна сократи тельной активности мышцы в результате изменения характера импульсации мотонейрона (или в случае прямой электростимуляции - ее паттерну). МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ МИОЗИНОВОГО ФЕНОТИПА, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ МЫШЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ Хроническая активность «медленных» волокон со провождается двумя феноменами: постоянно повы шенным уровнем ионов кальция в миоплазме и сни женным уровнем макроэргических фосфатов [4-6]. Поэтому поиск сигнальных механизмов, регулирую щих экспрессию генов ТЦМ, сводился к выявлению путей, зависимых от концентрации ионов кальция и макроэргических фосфатов. Наиболее важным сигнальным каскадом, влияющим на экспрессию «медленных» изоформ ТЦМ (а также регулирую щим экспрессию многих других генов), считают путь кальцинейрин/NFAT. Кальцинейрин - это белок, локализованный в Z-диске саркомера. При взаимо действии с комплексом кальций-кальмодулин он проявляет фосфатазную активность и дефосфори лирует NFATс1 (ядерный фактор активированных Т-клеток), который получает возможность проник новения в миоядра [6, 7] (рис. 2). В ядре этот фактор либо накапливается в гетерохроматине (откуда по степенно переносится в эухроматин) [8], либо непо средственно взаимодействует с MEF-2, транскрип ционным фактором, специфически связывающим промотор гена медленных ТЦМ. Таким образом за пускается интенсивная транскрипция гена «мед ленных» ТЦМ [7, 8]. Реакция дефосфорилирования NFAT ингибируется белками Z-диска кальсарци нами-1 и -2, которые функционируют в медленных и быстрых волокнах соответственно. При нокауте генов этих белков наблюдается значительное пере распределение миозинового фенотипа в медленную сторону [9, 10] (рис. 2). Экспрессия генов кальсарцина (особенно кальсарцина-2) подавляется при двойном нокауте Е3-убиквитинлигаз MuRf-1 и MuRf-2 [11]. Можно предположить, что экспрессия кальсарци на-2 стимулируется присутствием в ядре убиквитин лигаз семейства MuRf. Показано, что при изменении состояния титина/тайтина/коннектина киназный до мен титина, локализованный в районе M-диска, ос вобождает/дефосфорилирует MuRf-2, что приводит к его импорту в миоядра [12]. Не исключено, что из менение титина приводит в конечном счете к по вышению экспрессии кальсарцина-2, способствует стабилизации быстрого миозинового фенотипа и пре дотвращает любую трансформацию в медленную сторону. Однако повышенной экспрессии гена каль сарцина недостаточно для полного ингибирования фосфатазной активности кальцинейрина. Известно, что кальсарцин-2 может быть иммобилизован на ци тоскелетных компонентах Z-диска - α-актининах-2 и -3, причем иммобилизация на α-актинине-2 оказы вается более устойчивой [13]. Поэтому в отсутствие гена α-актинина-3 или при его дефиците кальсарцин устойчиво иммобилизуется, и в волокне реализуется медленный фенотип (рис. 3). Дефосфорилирование сигнального белка GSK-3β (киназа гликогенсинтазы) способствует экспорту NFAT из ядра и сдвигает равновесие в сторону «бы стрых» изоформ [14] (рис. 2). При этом ингибирую щая активность GSK-3β может супрессироваться оксидом азота через сGMP-путь [15]. Другой механизм регуляции миозинового фено типа, также кальций-зависимый, реализуется через киназную активность кальций-кальмодулин-киназы (СаМК). При активации комплексом кальций-каль модулин этот фермент фосфорилирует гистонде ацетилазу 4 (HDAC4), не позволяя ей войти в про странство миоядра [16]. При низкой концентрации комплекса кальций-кальмодулин и соответственно низкой киназной активности CaMK HDAC4 оказы вается недофосфорилированной, и часть ее моле кул проникает в миоядра [17]. В миоядрах HDAC4 деацетилирует не только гистон H3, но и транс крипционный фактор MEF-2, взаимодействующий с промотором гена myf7 (т.е. гена ТЦМ Iβ) [17]. Это приводит к снижению как общей транскрипционной активности генома, так и экспрессии ТЦМ Iβ (рис. 4). Интересно, что и в этом случае существует «сдержи вающий» механизм: HDAC4 может быть убиквити нирована и разрушена. При этом сохраняется мед ленный характер миозинового фенотипа [18]. Соотношение фосфорилированных и нефосфо рилированных макроэргических фосфатов, другой физиологический триггер сигнальных процессов, регулирует активность АМP-зависимой протеин киназы (АМПК), контролирующей основные пути энергетического метаболизма мышечного волокна [19]. Кроме того, АМПК фосфорилирует гистонде ацетилазы HDAC4 и 5, что существенно облегчает экспрессию «медленной» изоформы ТЦМ и ряда ге нов, контролирующих регуляторные белки окисли тельного метаболизма [20, 21]. При этом активность АМПК может модулироваться (стимулироваться) оксидом азота [22]. Еще один механизм модуляции миозинового фено типа обеспечивает регуляцию экспрессии гена ТЦМ Iβ (ген myh7) по типу положительной обратной связи с участием микроРНК. Кроме основного гена ТЦМ Iβ (ген myh7), геном млекопитающих содержит ген myh7b (myh14), который экспрессируется в скелетной мышце взрослых млекопитающих в виде мРНК; на уровне белка этот ген экспрессируется только в экстраокулярной мышце [23]. Однако его интро ны кодируют микроРНК miR-499. Экспрессию гена myh7b стимулирует miR-208b, кодируемая интро ном основного гена медленного миозина myh7. В свою очередь, miR-499 препятствует экспрессии специфи ческих блокаторов промотора гена myh7 (Sox6, Pur-β и Thrap1) [24] (рис. 5). Интересно, что экспрессия гена myh7b стимулируется при сверхэкспрессии MEF-2 (основного транскрипционного стимулятора ТЦМ Iβ) [25]. Это предполагает, что при повышении кон центрации комплекса кальций/кальмодулин MEF-2, который может дефосфорилироваться кальцинейри ном [26], проникает в ядро и регулирует экспрессию myh7. Он одновременно стимулирует синтез miR- 499, не допускающей блокаду экспрессии ТЦМ Iβ [25]. Таким образом, экспрессия miR-499 и miR-208b обеспечивает беспрепятственный синтез медленного миозина при наличии соответствующего физиологи ческого стимула (ионов кальция). МИОЗИНОВЫЙ ФЕНОТИП В УСЛОВИЯХ ГРАВИТАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ Изменения миозинового фенотипа волокон при гра витационной разгрузке зарегистрированы во мно гих лабораториях, в частности, обнаружено, что в m. soleus задних конечностей крыс при вывешива нии (рис. 6) увеличивается содержание (%) волокон типа II и уменьшается доля волокон типа I [27-30]. После семидневного космического полета наблю дали сдвиг соотношения типов волокон от «медлен ных» к «быстрым» в m. soleus и m. extensor digitorum longus крыс [31, 32]. В 12.5-14-дневном полете обна ружено снижение на 20-25% содержания волокон типа I в m. soleus и m. adductor longus [33, 34]. Нами впервые выявлено увеличение относительного содер жания волокон типа II в m. soleus и m. vastus lateralis у обезьян после 12.5-суточного космического полета на биоспутнике «КОСМОС-2229» [35]. В тех случаях, когда сдвиг соотношения волокон не удавалось об наружить с помощью окраски на миофибриллярную АТР-азу, как правило, наблюдалось увеличение количества волокон, реагирующих с антителами про тив «быстрого» миозина, и уменьшение содержания волокон, реагирующих с антителами против «мед ленного» миозина [36-41]. С помощью электрофореза в опытах с вывешиванием обнаружено появление но вой изоформы тяжелых цепей миозина - 2d, или 2x [40]. Неоднократно при вывешивании или после кос мического полета выявляли увеличение доли воло кон, содержащих как «медленные», так и «быстрые» формы тяжелых цепей миозина [37, 41]. Уменьшение доли волокон, экспрессирующих «медленную» изо форму ТЦМ, и увеличение доли волокон, экспресси рующих «быстрые» изоформы, наблюдали и в пробах m. soleus, взятых у астронавтов после 6-месячного полета [42]. Сдвиг соотношения изоформ ТЦМ в «бы струю» сторону обнаружен в m. vastus lateralis у астронавтов после 11-суточного полета при помощи электрофоретического анализа [43]. В нашей лабора тории уменьшение доли волокон с ТЦМ «медленно го» типа в m. soleus наблюдали уже после 7-суточной экспозиции в условиях «сухой» иммерсии [44, 45]. Интересно, что выраженность трансформации мио зинового фенотипа в быструю сторону, как правило, не превышает 15-20% волокон, тогда как другие эф фекты мышечной разгрузки затрагивают большин ство волокон данной мышцы. Этот факт заставляет предположить, что окончательная стабилизация бы строго фенотипа в условиях разгрузки достигается лишь в части трансформированных волокон. НЕЙРОНАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ МИОЗИНОВОГО ФЕНОТИПА В УСЛОВИЯХ ГРАВИТАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ Ряд наблюдений свидетельствует о том, что устра нение опорной афферентации является основным механизмом, приводящим к «отключению» электри ческой активности двигательных единиц постураль ной мышцы в условиях гравитационной разгрузки (для обзора см. [44]). Применение механической сти муляции опорных зон стопы в этих условиях позво ляет поддерживать нормальный уровень электриче ской активности постуральной мышцы. Интересно, что применение механической стимуляции опор ных зон стопы на фоне экспозиции в условиях «су хой» иммерсии позволило избежать снижения доли «медленных» волокон [44, 45]. При вывешивании крыс, у которых подошва одной из задних ног вза имодействовала с искусственной опорой, в m. soleus этой ноги, в отличие от контралатеральной конеч ности, не наблюдалась трансформация миозинового фенотипа в быструю сторону [46]. Низкочастотная хроническая электростимуляция m. soleus крысы на фоне традиционной модели вывешивания так же позволяет предотвратить трансформацию миозинового фенотипа [47, 48]. Такие же эффекты на блюдали и при хроническом растяжении мышцы или при использовании резистивных упражнений на фоне гравитационной разгрузки (вывешивание или 84-суточная гипокинезия) [49-51]. Результаты этих работ свидетельствуют о том, что низкоинтен сивная мышечная активность и резистивные воз действия предотвращают изменение миозинового фенотипа. На основе приведенных наблюдений мож но предположить, что сдвиг миозинового фенотипа при гравитационной разгрузке обусловлен, в том числе, изменениями нейронального контроля актив ности двигательных единиц. Действительно, в экс периментах с трехсуточной сухой иммерсией у чело века обнаружена инактивация двигательных единиц медленного типа [52]. Эти результаты подтверждены в экспериментах с регистрацией электрической ак тивности m. soleus и быстрых синергистов у Macaca mulatta в космическом полете [53] и при вывешива нии крыс, а также их экспозиции в условиях поле та по параболе Кеплера [54]. Можно предположить, что именно «отключение» медленных двигательных единиц приводит к изменению миозинового фенотипа во всех перечисленных случаях. Подтверждением этой гипотезы могут служить результаты, получен ные на модели «спинальной изоляции», при которой перерезают все афферентные и нисходящие вхо ды в поясничный отдел спинного мозга при интакт ных моторных окончаниях. В этих экспериментах при полном «отключении» спинальных мотонейро нов наблюдается сдвиг миозинового фенотипа в «бы струю» сторону [55]. Повышение устойчивости по зных синергий у животных с помощью хронической подачи карбохолина в структуры стриопаллидума в условиях вывешивания сопровождалось даже уве личением доли волокон медленного типа в m. soleus [56]. Отключение афферентной активности m. tibialis anterior, антагонисте m. soleus, на фоне вывешива ния с помощью тенотомии позволяло предотвратить увеличение доли волокон быстрого типа в камбало видной мышце крысы [57]. Можно себе представить, что при гравитационной разгрузке активация m. tibialis anterior [58] или уменьшение интенсивности возбуждающих стриопаллидарных влияний [56] обу словливают снижение импульсной активности «мед ленных» двигательных единиц m. soleus и тем самым приводят к изменению миозинового фенотипа ее во локон. Другой гипотетический нейрофизиологический механизм инактивации двигательных единиц m. soleus в условиях микрогравитации обсуждается в свя зи с изучением мышечных эффектов вестибулярной деафферентации животных. С этой целью были про ведены опыты с деафферентацией вестибулярных рецепторов с помощью инъекции арсенилата [59]. После месячной адаптации крыс к вестибулярной деафферентации в m. soleus наблюдали уменьшение доли волокон, экспрессирующих ТЦМ Iβ, и площади их поперечного сечения, а также увеличение доли волокон, экспрессирующих быстрые изоформы ТЦМ. Привлекает внимание внешнее сходство обнаружен ного феномена и трансформации миозинового фено типа в космическом полете. Они указывают на воз можность того, что функциональные изменения вестибулярного аппарата в условиях невесомости могут способствовать изменению характера экспрес сии миозиновых изоформ. Эта точка зрения доста точно уязвима. Во-первых, трансформация миози нового фенотипа в медленную сторону наблюдается и в наземных моделях невесомости, когда функция вестибулярного аппарата изменена незначительно (см. выше). Во-вторых, аналогичные исследования, проведенные с использованием хирургической ве стибулярной деафферентации (лабиринтэктомии), привели к изменениям противоположной направлен ности в m. soleus животных. Обнаружен сдвиг миози нового фенотипа m. soleus в сторону увеличения доли медленных волокон [60, 61]. К сожалению, приведен ными публикациями исчерпываются наши знания о вестибулярных влияниях на миозиновый фенотип постуральной мышцы. Очевидно, вопросов остается гораздо больше, чем ответов. Дальнейшие исследо вания помогут ликвидировать белые пятна в этой об ласти знания. ЭКСПРЕССИЯ МИОЗИНОВЫХ ГЕНОВ В УСЛОВИЯХ ГРАВИТАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ В начале обзора сказано, что изменения миозиново го фенотипа при функциональной разгрузке (disuse) определяются снижением экспрессии гена «медлен ной» изоформы ТЦМ и увеличением экспрессии ге нов «быстрых» изоформ ([4] и др.). Интересно просле дить за динамикой этого процесса. Stevens и соавт. впервые показали, что уже на 4-е сутки вывеши вания у крыс породы Wistar наблюдалось неболь шое снижение содержания мРНК ТЦМ Iβ, которое на 7-е сутки принимает форму тенденции и состав ляет примерно 20% [62]. Ученым из University of California, Irwin на крысах линии Sprague-Dowley удалось обнаружить статистически значимое сни жение мРНК ТЦМ Iβ уже после 24 ч вывешивания [63]. На крысах Wistar нами выявлено значимое сни жение содержания мРНК ТЦМ Iβ на 7-е сутки вы вешивания, однако некоторая тенденция к этому наблюдалась уже на 3-и сутки [64] (рис. 7А). Таким образом, во всех этих работах показано снижение экспрессии мРНК медленной изоформы тяжелых це пей миозина, однако скорость этого процесса варьи рует в разных исследованиях. Отмечен также ранний и существенный рост содержания в мышце мРНК, кодирующих изоформы тяжелых цепей миозина IIBи IId/x (рис. 7В,Г). Интересно, что после 3-4 суток вывешивания в пулах отдельных волокон не находят ни одного «чисто» медленного волокна, т.е. в каждом волокне идет постепенное замещение ТЦМ Iβ изо формами быстрых типов [65]. По нашим данным, ди намика содержания мРНК ТЦМ IIA [66] отличает ся как от динамики мРНК ТЦМ Iβ, так и ТЦМ IId/x и IIB. Уже после 3 суток вывешивания содержание мРНК ТЦМ IIA демонстрирует снижение, которое продолжается до 7 суток. Содержание мРНК ТЦМ IIA после 14 суток вывешивания оказывается столь высоким, что не отличается от контрольных значе ний (рис. 7Б). Итак, изменениям миозинового фено типа при гравитационной разгрузке предшествует изменение паттерна экспрессии мРНК, кодирующих соответствующие изоформы ТЦМ, поэтому поиск мо лекулярных механизмов трансформации миозиново го фенотипа в большой степени сводится к изучению механизмов регуляции экспрессии миозиновых ге нов. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ИЗОФОРМ ТЯЖЕЛЫХ ЦЕПЕЙ МИОЗИНА В ПОСТУРАЛЬНОЙ МЫШЦЕ В УСЛОВИЯХ РАЗГРУЗКИ Механизмы сдвига экспрессии генов изоформ ТЦМ в быструю сторону остаются в значительной степени неизученными. При исследовании роли сигнальной системы кальцинейрин/NFATc1 на фоне гравита ционной разгрузки обнаружено, что через 14 суток вывешивания крыс по Morey-Holton наблюдается интенсивный транспорт NFATс1 в ядра волокон m. soleus [67]. Однако содержание NFATс1 в миоядрах мышц человека после 60 суток постельной гипокине зии существенно уменьшено [68]. Налицо явное про тиворечие этих данных между собой. Вопрос об ин тенсивности импорта NFAT в ядро при разгрузке остается неясным. С использованием циклоспорина А, ингибитора дефосфорилирования NFATс1 [69, 70], в нашей лаборатории и в лаборатории K.M. Baldwin было показано, что экспрессия мРНК ТЦМ медлен ного типа при действии циклоспорина А, ингибитора кальцинейрина, на фоне вывешивания еще больше снижается. Это указывает на возможную компен саторную функцию этого сигнального пути при раз грузке. При этом различия между интенсивностью снижения экспрессии мРНК ТЦМ медленного типа при разгрузке и в тех же условиях, но при введении циклоспорина А, невелики, хоть и статистически значимы. Сходство амплитуды изменений в этом экс перименте указывает на то, что снижение экспрес сии ТЦМ медленного типа при разгрузке в большой степени обусловлено ингибированием сигнального пути кальцинейрин/NFATc1. Трансформация в сторону быстрого фенотипа не происходит при вывешивании мышей с нокаутом по обеим убиквитинлигазам семейства MuRf [71]. Поэтому MuRf-зависимая экспрессия кальсарци на-2, возможно, является важным элементом, обе спечивающим стабилизацию быстрого миозинового фенотипа при действии гипотетических механиз мов, компенсаторно направленных на сохранение «медленного» фенотипа. Нами впервые обнаруже на специфичная для изоформ динамика экспрессии мРНК кальсарцинов в ходе моделируемой гравита ционной разгрузки (рис. 8) [66]. На 3-и сутки вывеши вания уровень экспрессии кальсарцина-1 был таким же, как в контроле, затем снижался вплоть до 14 су ток. Уровень мРНК кальсарцина-2 уже на 3-и сутки был в 2 раза выше, чем в контроле, и продолжал ра сти до 14 суток. С учетом как опубликованных, так и собственных данных можно предположить, что в той части воло кон, которая содержит значительную долю быстрых изоформ ТЦМ, повышение экспрессии кальсарци на-2 приводит к предотвращению компенсаторно го усиления кальцинейринового пути и тем самым к стабилизации быстрого фенотипа в них. В других волокнах (преимущественно медленных) снижение экспрессии кальсарцина-1 может интенсифициро вать кальцинейриновый путь и тем самым стабили зировать их медленный фенотип. Таким образом, к 7-м суткам формируются устойчивые популяции медленных и быстрых волокон при существенном сдвиге в сторону волокон быстрого типа. Кроме того, нам удалось обнаружить статистически значимое увеличение содержания MuRF-1 и MuRF-2 в ядер ной фракции гомогената m. soleus после 3 суток вы вешивания, т.е. именно в тот период времени, когда увеличивается экспрессия кальсарцина-2 [66]. Этот феномен вместе с эффектами нокаута генов murf [11] позволяет предположить существование причинно следственной связи между транслокацией MuRF-1 и MuRF-2 в ядра на начальном этапе разгрузки и усилением экспрессии кальсарцина-2. Возможно, что в этих процессах важную роль играет «депонирование» кальсарцина в структуре α-актинина-2. В нашей лаборатории обнаружено снижение содержания α-актинина-2 в пробах soleus крысы после вывешивания крыс в течение 7 суток [72]. Поэтому можно представить себе освобождение связанного кальсарцина-2 вследствие деградации α-актинина-2 в условиях моделируемой гравита ционной разгрузки. Деградацию цитоскелета в ус ловиях разгрузки обычно приписывают кальций зависимым цистеиновым протеазам - кальпаинам. Поэтому интересно, что при повышенной экспрессии кальпастатина, эндогенного ингибитора кальпаинов, у вывешенных мышей не происходит трансформа ции миозинового фенотипа в быструю сторону [73]. Отсутствие трансформации у таких мышей может свидетельствовать о том, что активация кальпаинов может быть одним из факторов, способствующих трансформации миозинового фенотипа при раз грузке. Поскольку активацию кальпаинов при гра витационной разгрузке связывают с накоплением ионов кальция в миоплазме [74-76], то следует ожи дать, что блокирование поступления ионов кальция в волокно при использовании нифедипина на фоне гравитационной разгрузки приведет к снижению активности кальпаинов и менее выраженной де градации цитоскелетных белков. При этом деградация α-актинина-2 окажется не столь глубокой, как при вывешивании без дополнительных воздей ствий, и депо кальсарцина останется полным. В этом случае снижение экспрессии ТЦМ Iβ будет полно стью или частично предотвращено. В подтверждение этой гипотезы нами установлено, что при хрониче ском введении нифедипина не происходит трансфор мации мышечных волокон m. soleus крысы при выве шивании [77]. Однако механизмы участия кальпаинов в регуляции экспрессии ТЦМ изучены недостаточно. В 2015 году в опытах с вывешиванием крыс нам удалось наблюдать активацию (т.е. уменьшение не гативного фосфорилирования) другого эндоген ного ингибитора сигнального пути кальцинейрин/ NFATc1 - киназы гликогенсинтазы GSK-3β, кото рая при отсутствии негативного фосфорилирования фосфорилирует NFATc1 и способствует его экспор ту из ядра [66]. Активность этого фермента может быть подавлена при высоком содержании оксида азота в волокне, который действует через гуанилат циклазный механизм [78]. Нами ранее было показа но, что при гравитационной разгрузке содержание оксида азота в m. soleus крысы значительно снижено [79]. При этом введение L-аргинина, повышающего продукцию оксида азота, предотвращало снижение содержания мРНК ТЦМ Iβ. По-видимому, снижение содержания оксида азота в волокне в условиях раз грузки можно рассматривать как один из факторов стабилизации быстрого фенотипа, который действу ет через GSK-3β. Salanova и соавт. [68] связывают снижение интен сивности импорта NFATc1 в миоядра при функци ональной разгрузке с действием другого механиз ма: с уменьшением экспрессии каркасного белка Homer-1, которое наблюдалось в m. soleus и m. vastus lateralis человека после длительной постельной ги покинезии. В этой работе функция Homer-1 описа на как функция каркасного обеспечения сближения и взаимодействия кальцинейрина и NFATc1 в пост синаптической зоне и в зоне Z-диска. Механизмы ре гуляции экспрессии этого белка не установлены. О роли соотношения макроэргических фосфатов в контроле миозинового фенотипа в условиях раз грузки можно судить лишь в том случае, если на том или ином этапе процесса наблюдается значимое из менение этого соотношения. Действительно, в ран них работах группы Ohira обнаружено, что после 10-суточного вывешивания крыс действительно повышается уровень креатинфосфата в m. soleus [80]. Оказалось, что снижение уровня фосфори лированных макроэргических фосфатов при вве дении β-гуанидинпропионовой кислоты предот вращает трансформацию миозинового фенотипа в быструю сторону у вывешенных животных [81]. Известно, что действие хронического введения β-гуанидинпропионовой кислоты реализуется че рез АМПК-зависимые сигнальные механизмы [82]. Как меняется активность АМПК в условиях раз грузки не было известно до недавнего времени. Результаты двух работ в этой области явно противо речат друг другу [83, 84]. В нашей лаборатории по казано, что при гравитационной разгрузке с исполь зованием классической модели «сухой» иммерсии в течение 3 суток в m. soleus человека наблюдает ся глубокое снижение уровня фосфорилирования АМПК [85]. Предполагают, что основным механиз мом влияния АМПК на экспрессию генов является фосфорилирование/дефосфорилирование молекул HDAC. Можно предположить, что их действие (де ацетилирование гистона Н3 и транскрипционного фактора MEF-2) должно проявляться в условиях мо делируемой гравитационной разгрузки. И действи тельно, при вывешивании крыс повышается аце тилирование гистона H3 в локусе генов «быстрых» изоформ миозина [86]. Совсем недавно обнаружили, что при действии классического ингибитора HDAC на фоне вывешивания крыс в m. soleus волокна мед ленного типа не трансформируются в быстрые [87]. В условиях разгрузки модулируется и механизм микроРНК-зависимой регуляции экспрессии миози нового гена (см. «Введение»). В камбаловидной мыш це крыс при вывешивании снижается экспрессия микроРНК miR-499 и miR-208b, а значит, возника ют условия для работы специфических блокаторов промотора гена myh7, т.е. для снижения экспрессии медленного миозина [25]. С этими данными согласу ются и результаты группы Tsika, свидетельствую щие о повышении экспрессии блокаторов промотора гена myh7, Рur-α, Рur-β и SP3 и их связывании со специфическими сайтами на промоторе в условиях вывешивания [88, 89]. Эти процессы могут быть ре зультатом снижения экспрессии гена myh7b и miR- 499. О физиологических регуляторах специфических блокаторов экспрессии гена myh7 и регуляторных miR-499 и miR-208b известно мало. Приведенные в обзоре данные о регуляции экс прессии гена myh7, показывают, что, несмотря на из учение молекулярных механизмов, определяющих снижение экспрессии медленной изоформы ТЦМ в условиях гравитационной разгрузки, составить целостную картину о работе этих механизмов пока не удается. Можно предполагать, что функциони рование сложной системы эндогенных ингибиторов сигнального пути кальцинейрин/NFATc1 направле но на преодоление компенсаторных ответов мышцы и стабилизацию быстрого фенотипа. В то же время неизвестно, какие эпигеномные процессы запускают процесс инактивации гена myh7 и снижения экспрес сии медленной изоформы ТЦМ на самой начальной стадии гравитационной разгрузки в течение первых 24 ч. Еще меньше известно о том, какие механизмы стимулируют работу промоторов генов «быстрых» изоформ ТЦМ. Предполагают, что в отсутствие сти муляторов «медленной» изоформы ТЦМ связыва ние ДНК с транскрипционным регулятором MyoD усиливает экспрессию генов «быстрого» миозина [90]. При этом у вывешенных животных с нокаутом MyoD не происходит трансформации в быструю сторону [91]. Этот факт позволяет предположить, что MyoD существенно влияет на экспрессию генов быстрых изоформ ТЦМ при гравитационной раз грузке. Интересно, что стимулирующее действие MyoD на экспрессию «быстрых» изоформ миозина ингибируется NFATc1 [92]. Другой механизм ре ципрокной регуляции характерен для экспрессии ТЦМ IIA, с одной стороны, и IId/x и IIB, с другой. Обнаружено, что при спинальной изоляции экспрес сия ТЦМ IIA снижается, а ТЦМ IId/x повышается [93]. Аналогичный феномен мы наблюдали на ранней стадии гравитационной разгрузки в экспериментах с вывешиваниием крыс [66]. Установлено, что сра зу за геном ТЦМ IIA располагается промотор гена ТЦМ IId/x, транскрипция с которого осуществля ется в двух направлениях. Транскрипция со смыс ловой цепи запускает транскрипцию гена IIx, с комплементарной цепи синтезируется антисмысловая РНК, которая приводит к разрушению мРНК ТЦМ IIA [93]. Таким образом, активация экспрессии гена «быстрой» изоформы миозина вызывает снижение экспрессии гена ТЦМ IIA. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Регуляция экспрессии миозиновых генов интенсив но изучается в настоящее время, однако ясное пред ставление о давно известном и неразгаданном до сих пор феномене изменения характера экспрессии этих генов в условиях гравитационной разгрузки отсут ствует. Ответы на основные вопросы, касающиеся описываемого феномена, должны быть получены в ближайшем будущем. Адаптивное значение транс формации мышечных волокон в условиях гравита ционной разгрузки в многочисленных публикациях, связанных с этой проблемой, не затрагивается. В ус ловиях гипогравитации «отключаются» преимуще ственно постуральные экстензоры, прежде всего m. soleus, а в ней - волокна, экспрессирующие медлен ную изоформу ТЦМ и, следовательно, реализующие медленный «тонический» режим сократительной активности. Изменение характера постуральных синергий в условиях реальной и моделируемой не весомости приводит к устранению «тонического» компонента двигательной функции. Поэтому сдвиг миозинового фенотипа в быструю сторону может быть составной частью таких адаптивных перестро ек двигательного аппарата млекопитающих. Другой взгляд на адаптивное значение сдвига миозиново го фенотипа основан на известных различиях тро фических механизмов, т.е. механизмов поддержа ния структуры и метаболизма мышечных волокон медленного и быстрого типов. В элегантной работе группы Ohira [94] показано, что денервация m. soleus у вывешенных крыс не приводит к нарастанию атрофических изменений, т.е. к редукции площади поперечного сечения волокон. При тех же условиях атрофия m. plantaris была существенно меньше, чем в m. soleus, но была намного более выраженной, если мышца при этом еще и денервировалась. Из этого следует, что нейротрофические неимпульсные вли яния в быстром волокне эффективно предотвраща ют интенсивное развитие атрофических процессов. Эта стратегия не характерна для волокон медленного типа, поддержание структуры которых полностью определяется интенсивностью и длительностью со кратительной деятельности. Можно предположить, что трансформация миозинового фенотипа медлен ных волокон, превращающая их в быстрые, позво ляет увеличить количество волокон, сохраняющих объем миофибриллярного аппарата в условиях без деятельности за счет нейротрофических влияний.

Об авторах

Б. С. Шенкман

Автор, ответственный за переписку.
Email: bshenkman@mail.ru
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы