КОМПЕНСАТОРНАЯ МЫШЕЧНАЯ ГИПЕРТРОФИЯ. КОНЦЕПЦИЯ МИОНУКЛЕАРНОЙ ЗОНЫ

Введение

Главным структурным компонентом скелетной мускулатуры является мышечное волокно. Зрелые мышечные волокна млекопитающих являются многоядерными клетками, сформированными в результате слияния отдельных миобластов в ходе эмбриогенеза [1]. В дополнение к клеткам немиогенного происхождения (эндотелий сосудов, фибробласты, клетки иммунной системы) мышечные волокна дополняют клетки-спутницы (клетки сателлиты).  Такое название клетки-сателлиты получили в связи с архитектурой мышечной ткани: они располагаются в непосредственной близости от мышечных волокон и окружены общей с ними базальной мембраной. По уровню дифференцировки клетки-спутницы относят к недифференцированным, однако, в высокой степени коммитированным миогенным клеткам. Вероятнее всего, эти клетки, имеют различия с миобластами, которые формируют мышечные волокна в ходе эмбрионального развития [1]. Имеются довольно весомые доказательства, что клетки-спутницы представляют собой главный «фонд» стволовых мышечных клеток организма [2,3]. Природа клеток-сателлитов и гетерогенность их популяции являются объектом множества исследований в настоящее время [4]. Для целей нашей статьи мы будем использовать термин клетки-спутницы (КС), как наиболее полный и общий, включающий всю гетерогенную популяцию этих клеток, с многообразием ее субтипов и классов.

Клетки спутницы и концепция мионуклеарной зоны

Поле изучения КС необыкновенно бурно расцвело за последние годы. Корни этих исследований лежат в работах, изучающих мышечную регенерацию, как при острых повреждениях, так и при хронических, например, при мышечных дистрофиях. Концепция КС, как первичного, физиологически значимого источника регенерации мышечной ткани резонирует с широким кругом специалистов в этой области [4]. 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 [5,6]. Упрощенно эту концепцию можно описать следующим образом: внутри многоядерного мышечного волокна, каждое отдельное ядро способно обслуживать ограниченный объем миоплазмы [7,8].  Почему же эта концепция может быть верной? Из открытий клеточной биологии, намизвестно, что область, доступная транспорта иРНК через ядерную мембрану при максимально интенсивной работе клетки, может быть лимитирующим фактором по отношению к размеру клетки [9]. Вторым доводом в поддержку, особенно уместным для крупных клеток, является невозможность некоторых продуктов, кодируемых определенным мышечным ядром диффундировать на большие расстояния [10, 11, 12]. 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 (Рис. 1).

Рисунок 1. Клетки спутницы и мышечная гипертрофия

Инициальная гипертрофическая адаптация мышечного волокна к хронической увеличивающейся нагрузке достигается за счет аккумуляции белка в клетки, через активацию протеинового синтеза. Результатом этого является вовлечение всех ядер мышечного волокна для обеспечения транскрипции. Спустя время, предполагается достижение определенного порогового уровня, при котором все ядра мышечного волокна максимально вовлечены в транскрипции и диффузия/локализация иРНК становится лимитирующим фактором для дальнейшего увеличения объема мышечного волокна. Активация и деление клеток спутниц, и встраивание дочернего ядра в мышечное волокно снимет лимитирующий фактор. Дополнительное ядро обеспечит дальнейший прирост белкового синтеза в мышечном волокне.

Заключение

На сегодняшний день установлено, что при отсутствии патологии в физиологических условиях, invivo многоядерные мышечные волокна перманентно дифференцированы и не обладают митотической активностью (клеточное деление) [13, 14, 15]. Из вышеизложенного следует вывод о том, что дополнительное ядро должно поступить из внешнего источника. На протяжении последнего десятка лет, установилась следующая концепция: увеличение мышечного волокна, 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 [9,15]. 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 [15]. Оценка доказательств в пользу и против концепции связана с тщательным рассмотрением моделей и методов исследования, используемых для ее изучения.

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. Zammit PS, Partridge TA, Yablonka-Reuveni Z. The skeletal muscle satellite cell: The stem cell that came in from the cold. J HistochemCytochem 54: 1177-1191, 2006.
4. Wagers AJ, Conboy IM. Cellular and molecular signatures of muscle regeneration: Current concepts and controversies in adult myogenesis. Cell 122: 659-667, 2005
5. 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.
6. Csete M, Walikonis J, Slawny N, Wei Y, Korsnes S, Doyle JC, Wold B. Oxygen-mediated regulation of skeletal muscle satellite cell proliferation and adipogenesis in culture. J Cell Physiol 189: 189-196, 2001.
7. Allen DL, Roy RR, Edgerton VR. Myonuclear domains in muscle adaptation and disease. Muscle Nerve 22: 1350-1360, 1999.
8. Hall ZW, Ralston E.Nuclear domains inmuscle cells. Cell 59: 771-772,1989.
9. 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
10. 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 dystrophinsarcolemmal expression. Am J Pathol 166: 1741-1748, 2005
11. Pavlath GK, Rich K, Webster SG, Blau HM. Localization of muscle gene products in nuclear domains. Nature 337: 570-573, 1989
12. Lexell J, Taylor CC. Variability in muscle fibre areas in whole human quardiceps muscle: effects of increasing age. J Anat 174: 239-249,1991
13. Chambers RL, McDermott JC. Molecular basis fo skeletal muscle regeneration.Can J ApplPhysiol 21: 155-184, 1996.
14. Hughes SM, Schiaffino S. Control of muscle fiber size: A crucial factor in ageing. ActaPhysiolScand 167: 307-312, 1999.
15. Gregory TR. Coincidence, coevolution, or causation?DNAcontent, cell size, and the C-value enigma. Biol Rev CambPhilos Soc 76: 65-101, 2001.