Миогенез - Myogenesis
Миогенез - это формирование скелетной мышечной ткани , особенно во время эмбрионального развития .
Мышечные волокна обычно образуются в результате слияния миобластов- предшественников в многоядерные волокна, называемые мышечными трубками . На раннем этапе развития эмбриона миобласты могут либо пролиферировать, либо дифференцироваться в мышечную трубку. Что контролирует этот выбор in vivo, как правило, неясно. Если поместить 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 прекращают деление и претерпевают терминальную дифференцировку в мышечные трубки. Дифференцировка миобластов происходит поэтапно. Первый этап включает выход из клеточного цикла и начало экспрессии определенных генов.
Второй этап дифференцировки включает выравнивание миобластов друг с другом. Исследования показали, что даже миобласты крысы и курицы могут распознавать и согласовывать друг друга, что предполагает эволюционное сохранение задействованных механизмов.
Третий этап - это собственно слияние клеток . На этом этапе присутствие ионов кальция имеет решающее значение. У людей слиянию способствует набор металлопротеиназ, кодируемых геном ADAM12 , и множеством других белков. Слияние включает привлечение актина к плазматической мембране с последующим близким расположением и созданием поры, которая впоследствии быстро расширяется.
Новые гены и их белковые продукты, которые экспрессируются во время этого процесса, активно исследуются во многих лабораториях. Они включают:
- Факторы-усилители миоцитов (MEF), которые способствуют миогенезу.
- Фактор сывороточного ответа (SRF) играет центральную роль во время миогенеза, он необходим для экспрессии поперечно-полосатых генов альфа-актина. Экспрессия скелетного альфа-актина также регулируется рецептором андрогенов ; Таким образом, стероиды могут регулировать миогенез.
- Миогенные регуляторные факторы (MRF): MyoD, Myf5, Myf6 и Myogenin.
Обзор
Существует ряд стадий (перечисленных ниже) развития мышц или миогенеза. Каждая стадия имеет различные связанные генетические факторы, отсутствие которых приводит к мышечным дефектам.
Этапы
| Этап | Связанные генетические факторы |
|---|---|
| Расслоение | PAX3 , c-Met |
| Миграция | c-met / HGF , LBX1 |
| Распространение | PAX3, c-Met, Mox2, MSX1 , Six1 / 4, Myf5 , MyoD |
| Определение | Myf5 и MyoD |
| Дифференциация | Миогенин , MCF2 , Six1 / 4, MyoD, Myf6 |
| Конкретное мышечное образование | Lbx1, Meox2 |
| Спутниковые соты | PAX7 |
Расслоение
.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 - способствовать регенеративной способности сателлитных клеток (описано ниже). PAX3 обычно экспрессируется на самых высоких уровнях во время эмбрионального развития и в меньшей степени во время эмбриональных стадий; он экспрессируется в мигрирующих гипаксиальных клетках и клетках дермомиотома, но совсем не экспрессируется во время развития лицевых мышц . Мутации в Pax3 могут вызывать множество осложнений, включая синдром Ваарденбурга I и III, а также синдром черепно-лицевой глухоты-руки . Синдром Ваарденбурга чаще всего связан с врожденными заболеваниями кишечника и позвоночника, подъемом лопатки и другими симптомами. Каждая стадия связана с различными генетическими факторами, без которых возможны мышечные дефекты.
Миграция
Ассоциированные генетические факторы: c-Met / HGF и LBX1.
Мутации в этих генетических факторах вызывают отсутствие миграции.
LBX1 отвечает за развитие и организацию мышц тыльной части передней конечности, а также за движение спинных мышц конечности после отслоения . Без LBX1 мышцы конечностей не будут формироваться должным образом; 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.
c-Met представляет собой рецептор тирозинкиназы, который необходим для выживания и пролиферации мигрирующих миобластов. Недостаток c-Met нарушает вторичный миогенез и, как в LBX1, предотвращает формирование мускулатуры конечностей. Ясно, что c-Met играет важную роль в расслоении и пролиферации помимо миграции. PAX3 необходим для транскрипции c-Met.
Распространение
Связанные генетические факторы: PAX3 , c-Met , Mox2 , MSX1 , Six, Myf5 и MyoD
Mox2 (также обозначаемый как MEOX-2) играет важную роль в индукции мезодермы и региональной спецификации . Нарушение функции Mox2 предотвратит распространение миогенных предшественников и вызовет аномальное формирование рисунка мышц конечностей. В частности, исследования показали, что задние конечности сильно уменьшились в размерах, в то время как определенные мышцы передних конечностей не могут сформироваться.
Myf5 необходим для правильного разрастания миобластов. Исследования показали, что развитие мышей в межреберных и параспинальных областях может быть задержано путем инактивации Myf-5. Myf5 считается самым ранним экспрессируемым геном регуляторного фактора миогенеза. Если оба Myf-5 и MyoD инактивированы, скелетные мышцы полностью отсутствуют. Эти последствия дополнительно раскрывают сложность миогенеза и важность каждого генетического фактора в правильном развитии мышц.
Определение
Связанные генетические факторы: Myf5 и MyoD.
Один из наиболее важных этапов определения миогенеза требует, чтобы Myf5 и MyoD функционировали должным образом, чтобы миогенные клетки могли нормально развиваться. Мутации в любом из связанных генетических факторов заставят клетки принять немышечные фенотипы.
Как указывалось ранее, комбинация Myf5 и MyoD имеет решающее значение для успеха миогенеза. И MyoD, и Myf5 являются членами семейства миогенных белков bHLH (основная спираль-петля-спираль) факторов транскрипции. Клетки, вырабатывающие миогенные факторы транскрипции bHLH (включая MyoD или Myf5), преданы развитию как мышечные клетки. Следовательно, одновременная делеция Myf5 и MyoD также приводит к полному отсутствию формирования скелетных мышц . Исследования показали, что MyoD напрямую активирует свой собственный ген; это означает, что сделанный белок связывает ген myoD и продолжает цикл производства белка MyoD. Между тем, экспрессия Myf5 регулируется Sonic hedgehog , Wnt1 и самим MyoD. Отмечая роль MyoD в регуляции Myf5, становится ясной критическая взаимосвязь двух генетических факторов.
Дифференциация
Связанные генетические факторы: Myogenin , Mcf2 , Six, MyoD и Myf6.
Мутации в этих связанных генетических факторах будут препятствовать развитию и созреванию миоцитов.
Миогенин (также известный как Myf4) необходим для слияния миогенных клеток-предшественников с новыми или ранее существовавшими волокнами. В общем, 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 боковой / вентральной стенке тела.
Myf-6 (также известный как MRF4 или Геркулин) важен для дифференциации мышечной трубки и специфичен для скелетных мышц. Мутации в Myf-6 могут спровоцировать нарушения, включая центроядерную миопатию и мышечную дистрофию Беккера .
Специфическое мышечное образование
Связанные генетические факторы: LBX1 и Mox2
При формировании определенных мышц мутации связанных генетических факторов начинают влиять на определенные области мышц. Из-за его большой ответственности за движение спинных мышц в конечность после отслоения, мутация или делеция Lbx1 приводит к дефектам мышц разгибателей и задних конечностей. Как указано в разделе «Пролиферация», делеция или мутация Mox2 вызывает аномальное формирование паттерна мышц конечностей. Последствия этого аномального паттерна включают резкое уменьшение размера задних конечностей и полное отсутствие мышц передних конечностей.
Спутниковые соты
Связанные генетические факторы:
мутации PAX7
в Pax7 предотвращают образование сателлитных клеток и, в свою очередь, предотвращают послеродовой рост мышц.
Клетки-сателлиты описываются как покоящиеся миобласты и сарколемма соседних мышечных волокон . Они имеют решающее значение для восстановления мышц, но имеют очень ограниченную способность к воспроизведению. Активируемые раздражителями, такими как травма или высокая механическая нагрузка, сателлитные клетки необходимы для регенерации мышц у взрослых организмов. Кроме того, сателлитные клетки также могут дифференцироваться в кости или жир. Таким образом, сателлитные клетки играют важную роль не только в развитии мышц, но и в их поддержании в зрелом возрасте.
Скелетные мышцы
Во время эмбриогенеза , то дермомиотом и / или миот в сомитах содержат миогенные клетки - предшественников , которые будут развиваться в перспективные скелетные мышцы. Определение дермомиотома и миотома регулируется генной регуляторной сетью, которая включает члена семейства T-box , tbx6, ripply1 и mesp-ba. Скелетный миогенез зависит от строгой регуляции различных подмножеств генов, чтобы дифференцировать миогенные предшественники в миофибриллы. Основные факторы транскрипции спираль-петля-спираль (bHLH), MyoD, Myf5, миогенин и MRF4 имеют решающее значение для его образования. MyoD и Myf5 позволяют дифференцировать миогенных предшественников на миобласты, за которыми следует миогенин, который дифференцирует миобласты на мышечные трубки. MRF4 важен для блокирования транскрипции специфичных для мышц промоторов, позволяя предшественникам скелетных мышц расти и пролиферировать перед дифференцировкой.
Чтобы ускорить спецификацию мышечных клеток в сомите, происходит ряд событий. Как в латеральной, так и в медиальной областях сомита паракринные факторы побуждают миотомные клетки продуцировать белок MyoD, тем самым заставляя их развиваться в виде мышечных клеток. Фактор транскрипции ( TCF4 ) фибробластов соединительной ткани участвует в регуляции миогенеза. В частности, он регулирует тип развитого мышечного волокна и его созревание. Низкие уровни TCF4 способствуют как медленному, так и быстрому миогенезу, в целом способствуя созреванию типа мышечных волокон. Таким образом, это показывает тесную взаимосвязь мышц с соединительной тканью во время эмбрионального развития.
Регуляция миогенной дифференцировки контролируется двумя путями: путем фосфатидилинозитол-3-киназы / Akt и путем Notch / Hes, которые действуют совместно для подавления транскрипции MyoD. Подсемейство O белков вилки ( FOXO ) играет критическую роль в регуляции миогенной дифференцировки, поскольку они стабилизируют связывание Notch / Hes. Исследования показали, что нокаут FOXO1 у мышей увеличивает экспрессию MyoD, изменяя распределение быстро и медленно сокращающихся волокон.
Слияние мышц
Первичные мышечные волокна происходят из первичных миобластов и имеют тенденцию развиваться в медленные мышечные волокна. 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, мышечные волокна, которые образуются позже, возникают из клеток-сателлитов.
Два гена, влияющие на слияние мышц, - это Mef2 и фактор транскрипции twist . Исследования показали, что нокаут Mef2C у мышей приводит к мышечным дефектам в развитии сердечных и гладких мышц, особенно при слиянии. Ген твиста играет роль в дифференцировке мышц.
Ген SIX1 играет критическую роль в дифференцировке гипаксиальных мышц в миогенезе. У мышей, лишенных этого гена, тяжелая мышечная гипоплазия затронула большинство мышц тела, особенно гипаксиальные мышцы.
Синтез белка и гетерогенность актина
Во время миогенеза вырабатываются 3 типа белков. Белки класса А являются наиболее распространенными и постоянно синтезируются на протяжении миогенеза. Белки класса B - это белки, которые инициируются во время миогенеза и продолжаются на протяжении всего развития. Белки класса C синтезируются в определенные периоды развития. Также во время миогенеза были идентифицированы 3 разные формы актина .
Sim2 , фактор транскрипции BHLH-Pas , ингибирует транскрипцию за счет активной репрессии и демонстрирует повышенную экспрессию в мышцах вентральных конечностей во время эмбрионального развития цыплят и мышей. Это достигается путем репрессии транскрипции MyoD путем связывания с энхансерной областью и предотвращает преждевременный миогенез.
Экспрессия Delta1 в клетках нервного гребня необходима для дифференцировки мышц сомитов посредством пути передачи сигналов Notch . Приобретение и потеря этого лиганда в клетках нервного гребня приводит к отсроченному или преждевременному миогенезу.
Методы
Значение альтернативного сплайсинга было выяснено с помощью микрочипового анализа дифференцирующихся миобластов C2C12 . 95 альтернативных событий сплайсинга происходят во время дифференцировки C2C12 в миогенезе. Следовательно, в миогенезе необходим альтернативный сплайсинг .
Системный подход
Системный подход - это метод, используемый для изучения миогенеза, который манипулирует рядом различных методов, таких как высокопроизводительные технологии скрининга , полногеномные анализы на основе клеток и биоинформатика , для выявления различных факторов системы. Это было специально использовано при исследовании развития скелетных мышц и идентификации их регуляторной сети.
Системный подход с использованием высокопроизводительного секвенирования и анализа ChIP-чипа был важен для выяснения целей миогенных регуляторных факторов, таких как MyoD и миогенин, их взаимосвязанных мишеней и того, как MyoD действует для изменения эпигенома в миобластах и мышечных трубках. Это также показало важность PAX3 в миогенезе и то, что он обеспечивает выживание миогенных предшественников.
Этот подход, использующий высокопроизводительный анализ трансфекции на основе клеток и гибридизацию in situ целиком , был использован для идентификации миогенетического регулятора RP58 и гена дифференцировки сухожилий, гомеобокса могавка.