ПРОБЛЕМА ИЗУЧЕНИЯ РОЛИ КЛЕТОК СПУТНИЦ В ОБЕСПЕЧЕНИИ КОМПЕНСАТОРНОЙ МЫШЕЧНОЙ ГИПЕРТРОФИИ

Клетки спутницы и концепция мионуклеарной зоны

Скелетная мускулатура млекопитающих состоит из крупных вытянутых многоядерных клеток – мышечных волокон, формирующихся при слиянии миобластов в ходе эмбриогенеза [1]. В непосредственной близости от этих гигантских клеток,  под общей базальной мембраной, располагаются мелкие клетки-спутницы.  В настоящее время принято, что клетки-спутницы представляют собой главный «фонд» стволовых мышечных клеток организма [2]. Природа клеток-сателлитов и гетерогенность их популяции являются объектом множества исследований [3].

Поле изучения КС необыкновенно бурно расцвело за последние годы. Истоком этого направления служат работы ученых, изучающих мышечную регенерацию, как при острых и при хронических повреждениях мышечного волокна. Представление о КС, как о главном источнике регенерации мышечной ткани поддерживается многими специалистов в этой области [3]. Исходя из данной «родительской» концепции, было выдвинуто новое предположение о том, что КС также отвечают за компенсаторную гипертрофию скелетной мускулатуры. Продолжением этой идеи является концепция ДНК-единицы или мионуклеарной зоны [4]. Упрощенно эту концепцию можно описать следующим образом: внутри многоядерного мышечного волокна, каждое отдельное ядро способно обслуживать ограниченный объем миоплазмы [5].  Из открытий клеточной биологии, известно, что совокупный диаметр нуклеарных пор, через которые транспортируется и РНК, при максимально интенсивной работе клетки, становится лимитирующим фактором при прогрессивном увеличении ее размеров [6]. Вторым основанием, особенно уместным для крупных клеток, является доказанная невозможность некоторых продуктов, кодируемых определенным мышечным ядром диффундировать на большие расстояния [7, 8]. Это делает невозможным экспрессию белков концевой пластинки на значительном удалении от ядра, что неумолимо ухудшало бы фундаментальную функцию мышечного волокна. Таким образом, в соответствии с теорией мионуклеарной зоны, увеличение объема мышечного волокна сверх определенного «порога» требует появления дополнительного ядра. Активация и деление клеток спутниц, и встраивание дочерних ядер в мышечное волокно решают эту проблему. Увеличенное количество ядер  в мышечном волокне позволяет вновь наращивать белковый синтез, обеспечивая мышечную гипертрофию.

Проблема моделирования экспериментальных исследований

На сегодняшний день установлено, что при отсутствии патологии в физиологических условиях in vivo многоядерные мышечные волокна перманентно дифференцированы и не способны к клеточному делению [9, 10]. Из выше изложенного следует вывод о том, что дополнительное ядро должно поступить из внешнего источника. Исходя из этого, была выдвинута следующая теория: увеличение мышечного, с формированием избыточного объема миоплазмы сверх размеров мионуклеарных зон, запускает активацию и пролиферацию клеток сателлитов. Считается, что этот процесс впоследствии сопровождается дифференцировкой некоторых дочерних клеток и включением их в растущее мышечное волокно путем фузии.

За относительно узкими границами сообщества изучения скелетной мускулатуры, концепция отношения клеточных размеров и содержания ДНК является темой серьезной, продолжающейся по сей день, дискуссии. Ограничения клеточных размеров количеством ДНК не является уникальным для многоядерных мышечных волокон.  В действительности, увеличение клеточных объемов за счет аккумулирования белка считается ключевым стимулом инициации клеточного митоза пролиферирующих одноядерных клеток. Этот факт послужил толчком для создания противоопухолевых препаратов, мишенью которых является белковый синтез. Внутри этой научной области концепция ДНК-единицы/мионуклеарной зоны не раз подвергалась критике. Оценка доказательств в пользу и против концепции связана с тщательным рассмотрением моделей и методов исследования, используемых для ее изучения.   Рассматривая модели, направленные на изучение роль КС в компенсаторной гипертрофии, важно учитывать проблему отражения концепции мионуклеарной зоны. Так при исследовании мышечного волокна человека, Kadi et al сообщает о вовлечении дополнительных ядер при гипертрофии мышечного волокна свыше 26% [11].  Важно отметить, что такая цифра может значительно зависеть от первоначального размера мышечного волокна. В соответствии с Patrella et al., величина «предельного» размера мионуклеарной зоны, которая стимулирует добавление дополнительного ядра, находится в пределах 2000 μm². Стоит отметить, что эти данные получены при использовании упрощенного двумерного моделирования.  Очевидно, что для понимания этого механизма, необходимо знать диапазон величины мионуклеарной зоны используемой модели. Так исследования при использовании мыши в качестве модели, могут иметь совершенно отличный результат, от исследований на человеке (Рис. 1).

Рисунок 1. Гипертрофия мышечных волокон мыши и человека

Мионуклеарные зоны мелких мышечных волокон могут не достигать «критического порога» ограничивающего транспорт иРНК, а значит, вовлечение дополнительного ядра не потребуется, даже в случае экстремальной гипертрофии (мышечное волокно мыши). Однако мышечные волокна человека имеют намного больший размер и достижение «критического порога» является очень вероятным.

Получение этих знаний сопряжено с большими трудностями и является основной проблемой экспериментального исследования данной концепции.

Полезным является получение нормативных/контрольных данных для конкретных моделей. Для приблизительного определения размера мионуклеарной зоны Fernandez et al. предложили следующую методику: размер зоны определяется разницей между количеством ядер на объем мышечного волокна у мышей дикого генотипа и у мышей с генетическим дефектом рецептора IGF-1 (мощный активатор гипертрофических процессов) [12].

Даже те редкие попытки методологического описания мионуклеарной зоны сопряжены с большими проблемами. На сегодняшний день ясно установлено, что разные типы мышечных волокон имеют широкий диапазон значений размеров мионуклеарной зоны [13]. Ряд исследований указывают на то, что распределение клеток сателлитов имеет региональные различия по ходу мышечных волокон [14, 15]. Так, Wang et al, сообщают о значимых региональных изменениях в локализации КС в период острой смены рабочей нагрузки. К тому же, Siegel et al. недавно показали, что КС обладают более высокой способностью к миграции, чем предполагалось ранее [16]. Эти данные объясняют, что результат полученных исследований может значительно искажаться исходя из ограничений процедуры забора и анализа материала.

По этим причине большинство ученых этого направления, прибегло к технически более простому подходу, предложенному авторами концепции мионукларной зоны. Его суть заключается в определении совокупного содержания ДНК в мышечной ткани, допуская, что при отсутствии воспаления большая часть ДНК скелетной мускулатуры находится в ядрах. Определив общий объем ДНК и его изменение, а также сравнив его с объемом клетки, можно получить представление о размере мионуклеарной зоны и изучать роль КС в компенсаторной мышечной гипертрофии [17].

Список литературы:

1. Cossu G, Biressi S. Satellite cells, myoblasts and other occasional myogenic progenitors: Possible origin, phenotypic features and role in muscle regeneration. Semin Cell Dev Biol 16: 623-631, 2005.
2. Collins CA, Partridge TA. Self-renewal of the adult skeletal muscle satellite cell. Cell Cycle 4: 1338-1341, 2005.
3. Wagers AJ, Conboy IM. Cellular and molecular signatures of muscle regeneration: Current concepts and controversies in adult myogenesis. Cell 122: 659-667, 2005
4. Chen J-F, Tao Y, Li J, Deng Z, Yan Z, Xiao X,Wang D-Z. microRNA-1 and microRNA-206 regulate skeletal muscle satellite cell proliferation and differentiation by repressing Pax7. J Cell Biol 190: 867-879, 2010.
5. Allen DL, Roy RR, Edgerton VR. Myonuclear domains in muscle adaptation and disease. Muscle Nerve 22: 1350-1360, 1999.
6. Cavalier-Smith T. Nuclear volume control by nucleoskeletal DNA, selection for cell volume and cell growth rate, and the solution of the DNA C-value paradox. J Cell Sci 34: 247-278, 1978
7. Chretien F, Dreyfus PA, Christov C, Caramelle P, Lagrange JL, Chazaud B, Gherardi RK. In vivo fusion of circulating fluorescent cells with dystrophin-deficient myofibers results in extensive sarcoplasmic fluorescence expression but limited dystrophin sarcolemmal expression. Am J Pathol 166: 1741-1748, 2005
8. Pavlath GK, Rich K, Webster SG, Blau HM. Localization of muscle gene products in nuclear domains. Nature 337: 570-573, 1989
9. Chambers RL, McDermott JC. Molecular basis for skeletal muscle regeneration. Can J Appl Physiol 21: 155-184, 1996.
10. Hughes SM, Schiaffino S. Control of muscle fiber size: A crucial factor in ageing. Acta Physiol Scand 167: 307-312, 1999.
11. Kadi F, Schjerling P, Andersen LL, Charifi N, Madsen JL, Christensen LR,Andersen JL. The effects of heavy resistance training and detraining on satellite cells in human skeletal muscles. J Physiol 558: 1005-1012,2004.
12. Fern´andez AM, Dupont J, Farrar RP, Lee S, Stannard B, LeRoith D. Muscle-specific inactivation of the IGF-I receptor induces compensatory hyperplasia in skeletal muscle. J Clin Invest 109: 347-355, 2002.
13. Barton-Davis ER, Shoturma DI, Sweeney HL. Contribution of satellite cells to IGF-I induced hypertrophy of skeletal muscle. Acta Physiol Scand 167: 301-305, 1999.
14. Blair HC, Jordan SE, Peterson TG, Barnes S.Variable effects of tyrosine kinase inhibitors on avian osteoclastic activity and reduction of boneloss in ovariectomized rat. J Cellular Biochem 61: 629-637, 1996.
15. Christov C, Chr´etien F, Abou-Khalil R, Bassez G, Vallet G, Authier FJ, Bassaglia Y, Shinin V, Tajbakhsh S, Chazaud B, Gherardi RK. Muscle satellite cells and endothelial cells: close neighbors and privileged partners. Mol Biol Cell 18: 1397-1409, 2007.
16. Siegel AL, Atchison K, Fisher KE, Davis GE, Cornelison DD. 3D timelapse analysis of muscle satellite cell motility. Stem Cells 2009: 2527-2538, 2009.
17. Cheek D. The control of cell mass and replication. The DNA unit – a personal 20-year study. Early Hum Dev 12: 211-239, 1985