miogeneza
Miogeneza to tworzenie tkanki mięśni szkieletowych , szczególnie podczas rozwoju embrionalnego .
Włókna mięśniowe na ogół tworzą się w wyniku fuzji prekursorowych mioblastów w wielojądrzaste włókna zwane miotubami . We wczesnym rozwoju zarodka mioblasty mogą się rozmnażać lub różnicować w miotubę. Co kontroluje ten wybór in vivo, jest generalnie niejasne. Po umieszczeniu w hodowli komórkowej większość mioblastów będzie się rozmnażać, jeśli czynnik wzrostu fibroblastów będzie wystarczający (FGF) lub inny czynnik wzrostu jest obecny w pożywce otaczającej komórki. Gdy zabraknie czynnika wzrostu, mioblasty przestają się dzielić i przechodzą końcowe różnicowanie w miotuby. Różnicowanie mioblastów przebiega etapami. Pierwszy etap obejmuje zakończenie cyklu komórkowego i rozpoczęcie ekspresji określonych genów.
Drugi etap różnicowania obejmuje wyrównanie mioblastów względem siebie. Badania wykazały, że nawet mioblasty szczurów i piskląt mogą rozpoznawać i dopasowywać się do siebie, co sugeruje ewolucyjną konserwację zaangażowanych mechanizmów.
Trzecim etapem jest właściwa fuzja komórek . Na tym etapie obecność wapnia jest krytyczna. Fuzja u ludzi jest wspomagana przez zestaw metaloproteinaz kodowanych przez gen ADAM12 i wiele innych białek. Fuzja obejmuje rekrutację aktyny do błony plazmatycznej , po której następuje ścisłe przyłożenie i utworzenie porów, które następnie szybko się rozszerzają.
Nowe geny i ich produkty białkowe, które ulegają ekspresji podczas tego procesu, są przedmiotem aktywnych badań w wielu laboratoriach. Zawierają:
- Czynniki wzmacniające miocyty (MEF), które promują miogenezę.
- Czynnik odpowiedzi surowicy (SRF) odgrywa kluczową rolę podczas miogenezy, będąc niezbędnym do ekspresji prążkowanych genów alfa-aktyny. Ekspresja szkieletowej alfa-aktyny jest również regulowana przez receptor androgenowy ; steroidy mogą w ten sposób regulować miogenezę.
- Miogeniczne czynniki regulacyjne (MRF): MyoD, Myf5, Myf6 i Myogenin.
Przegląd
Istnieje kilka etapów (wymienionych poniżej) rozwoju mięśni lub miogenezy. Każdy etap ma różne powiązane czynniki genetyczne, których brak spowoduje wady mięśni.
Gradacja
| Scena | Powiązane czynniki genetyczne |
|---|---|
| Rozwarstwienie | PAX3 , c-Met |
| Migracja | c-met/ HGF , LBX1 |
| Proliferacja | PAX3, c-Met, Mox2, MSX1 , Six1/4, Myf5 , MyoD |
| Determinacja | Myf5 i MyoD |
| Różnicowanie | Myogenina , MCF2 , Six1/4, MyoD, Myf6 |
| Specyficzna budowa mięśni | Lbx1, Meox2 |
| Komórki satelitarne | PAX7 |
Rozwarstwienie
.jpg)
Powiązane czynniki genetyczne: Mutacje PAX3 i c-Met w PAX3 mogą powodować awarię ekspresji c-Met. Taka mutacja skutkowałaby brakiem migracji bocznej.
PAX3 pośredniczy w transkrypcji c-Met i odpowiada za aktywację ekspresji MyoD – jedną z funkcji MyoD jest promowanie zdolności regeneracyjnych komórek satelitarnych ( opisane poniżej). PAX3 jest generalnie wyrażany na najwyższych poziomach podczas rozwoju embrionalnego i jest wyrażany w mniejszym stopniu podczas stadiów płodowych; ulega ekspresji w migrujących komórkach hipaksjalnych i komórkach dermomiotomu, ale w ogóle nie ulega ekspresji podczas rozwoju mięśni twarzy . Mutacje w Pax3 mogą powodować różne komplikacje, w tym zespół Waardenburga I i III oraz zespół twarzoczaszki-głuchota-ręka. Zespół Waardenburga jest najczęściej związany z wrodzonymi wadami przewodu pokarmowego i kręgosłupa, uniesieniem łopatki i innymi objawami. Każdy etap ma różne powiązane czynniki genetyczne, bez których doprowadzi do defektów mięśniowych.
Migracja
Powiązane czynniki genetyczne: c-Met / HGF i LBX1 Mutacje w tych czynnikach genetycznych powodują brak migracji.
LBX1 jest odpowiedzialny za rozwój i organizację mięśni grzbietowej kończyny przedniej, a także ruch mięśni grzbietowych do kończyny po rozwarstwieniu . Bez LBX1 mięśnie kończyn nie uformują się prawidłowo; badania wykazały, że ta delecja poważnie wpływa na mięśnie kończyn tylnych, podczas gdy w mięśniach kończyn przednich tworzą się tylko mięśnie zginaczy w wyniku migracji mięśni brzusznych.
c-Met jest receptorem kinazy tyrozynowej , który jest niezbędny do przeżycia i proliferacji migrujących mioblastów. Brak c-Met zaburza wtórną miogenezę i – podobnie jak w przypadku LBX1 – zapobiega tworzeniu się muskulatury kończyn. Oczywiste jest, że c-Met odgrywa ważną rolę w rozwarstwianiu i proliferacji oprócz migracji. PAX3 jest potrzebny do transkrypcji c-Met.
Proliferacja
Powiązane czynniki genetyczne: PAX3 , c-Met , Mox2, MSX1 , Six, Myf5 i MyoD
Mox2 (określany również jako MEOX-2) odgrywa ważną rolę w indukcji mezodermy i specyfikacji regionalnej . Upośledzenie funkcji Mox2 zapobiegnie proliferacji prekursorów miogennych i spowoduje nieprawidłowe wzorce mięśni kończyn. W szczególności badania wykazały, że tylne kończyny są znacznie zmniejszone, podczas gdy określone mięśnie kończyn przednich nie uformują się.
Myf5 jest wymagany do prawidłowej proliferacji mioblastów. Badania wykazały, że rozwój mięśni myszy w obszarach międzyżebrowych i przykręgosłupowych można opóźnić poprzez inaktywację Myf-5. Uważa się, że Myf5 jest najwcześniej eksprymowanym genem czynnika regulacyjnego w miogenezie. Jeśli zarówno Myf-5, jak i MyoD zostaną zdezaktywowane, nastąpi całkowity brak mięśni szkieletowych. Konsekwencje te dodatkowo ujawniają złożoność miogenezy i znaczenie każdego czynnika genetycznego w prawidłowym rozwoju mięśni.
Determinacja
Powiązane czynniki genetyczne: Myf5 i MyoD Jeden z najważniejszych etapów określania miogenezy wymaga prawidłowego funkcjonowania zarówno Myf5, jak i MyoD, aby komórki miogenne mogły normalnie się rozwijać. Mutacje w którymkolwiek z powiązanych czynników genetycznych spowodują, że komórki przyjmą fenotypy inne niż mięśniowe.
Jak wspomniano wcześniej, połączenie Myf5 i MyoD ma kluczowe znaczenie dla powodzenia miogenezy. Zarówno MyoD, jak i Myf5 są członkami rodziny czynników transkrypcyjnych białek miogennych bHLH (podstawowa helisa-pętla-helisa). Komórki, które wytwarzają miogeniczne czynniki transkrypcyjne bHLH (w tym MyoD lub Myf5) są zaangażowane w rozwój jako komórka mięśniowa. W konsekwencji jednoczesna delecja Myf5 i MyoD powoduje również całkowity brak mięśni szkieletowych . Badania wykazały, że MyoD bezpośrednio aktywuje swój własny gen; oznacza to, że wytworzone białko wiąże myoD genu i kontynuuje cykl produkcji białka MyoD. Tymczasem ekspresja Myf5 jest regulowana przez Sonic hedgehog , Wnt1 i samego MyoD. Odnotowując rolę MyoD w regulacji Myf5, staje się jasne kluczowe wzajemne powiązanie dwóch czynników genetycznych.
Różnicowanie
Powiązane czynniki genetyczne: Myogenina , Mcf2, Six, MyoD i Myf6 Mutacje w tych powiązanych czynnikach genetycznych zapobiegną postępowi i dojrzewaniu miocytów.
Miogenina (znana również jako Myf4) jest wymagana do fuzji miogennych komórek prekursorowych z nowymi lub wcześniej istniejącymi włóknami. Ogólnie rzecz biorąc, miogenina jest związana ze wzmacnianiem ekspresji genów, które już ulegają ekspresji w organizmie. Usunięcie miogeniny powoduje prawie całkowitą utratę zróżnicowanych włókien mięśniowych i poważną utratę masy mięśni szkieletowych w bocznej/brzusznej ścianie ciała.
Myf-6 (znany również jako MRF4 lub Herculin) jest ważny dla różnicowania miotub i jest specyficzny dla mięśni szkieletowych. Mutacje w Myf-6 mogą wywoływać zaburzenia, w tym miopatię centrojądrową i dystrofię mięśniową Beckera .
Specyficzne tworzenie mięśni
Powiązane czynniki genetyczne: LBX1 i Mox2 W specyficznym formowaniu się mięśni mutacje w powiązanych czynnikach genetycznych zaczynają wpływać na określone regiony mięśni. Ze względu na dużą odpowiedzialność za ruch mięśni grzbietu do kończyny po rozwarstwieniu, mutacja lub delecja Lbx1 skutkuje defektami mięśni prostowników i kończyn tylnych. Jak stwierdzono w sekcji Proliferacja, delecja lub mutacja Mox2 powoduje nieprawidłowe wzornictwo mięśni kończyn. Konsekwencje tego nieprawidłowego wzorca obejmują znaczne zmniejszenie rozmiaru kończyn tylnych i całkowity brak mięśni kończyn przednich.
Komórki satelitarne
Powiązane czynniki genetyczne: PAX7 Mutacje w Pax7 zapobiegną tworzeniu się komórek satelitarnych, co z kolei zapobiegnie poporodowemu wzrostowi mięśni.
Komórki satelitarne są opisane jako spoczynkowe mioblasty i sąsiednie sarkolemmy włókien mięśniowych . Są kluczowe dla naprawy mięśni, ale mają bardzo ograniczoną zdolność do replikacji. Aktywowane przez bodźce, takie jak uraz lub duże obciążenie mechaniczne, komórki satelitarne są niezbędne do regeneracji mięśni w organizmach dorosłych. Ponadto komórki satelitarne mają również zdolność różnicowania się w kości lub tłuszcz. W ten sposób komórki satelitarne odgrywają ważną rolę nie tylko w rozwoju mięśni, ale także w utrzymaniu mięśni przez całe dorosłe życie.
Mięśnie szkieletowe
Podczas embriogenezy dermomiotom i / lub miotom w somitach zawierają miogeniczne komórki progenitorowe, które przekształcą się w przyszły mięsień szkieletowy . Określenie dermomiotomu i miotomu jest regulowane przez sieć regulacji genów, która obejmuje członka T-box family, tbx6, ripply1 i mesp-ba. Miogeneza szkieletu zależy od ścisłej regulacji różnych podzbiorów genów w celu różnicowania miogennych prekursorów we włókna mięśniowe. Podstawowe czynniki transkrypcyjne helisa-pętla-helisa (bHLH), MyoD, Myf5, miogenina i MRF4 mają kluczowe znaczenie dla jego powstawania. MyoD i Myf5 umożliwiają różnicowanie miogennych prekursorów w mioblasty, a następnie miogeninę, która różnicuje mioblast w miotuby. MRF4 jest ważny dla blokowania transkrypcji promotorów specyficznych dla mięśni, umożliwiając progenitorom mięśni szkieletowych wzrost i proliferację przed różnicowaniem.
Istnieje wiele zdarzeń, które mają na celu napędzanie specyfikacji komórek mięśniowych w somicie. Zarówno w przypadku bocznych, jak i środkowych regionów somitu parakrynne indukują komórki miotomu do produkcji białka MyoD, powodując w ten sposób ich rozwój jako komórek mięśniowych. Czynnik transkrypcyjny ( TCF4 ) fibroblastów tkanki łącznej bierze udział w regulacji miogenezy. W szczególności reguluje rodzaj rozwijanych włókien mięśniowych i ich dojrzewanie. Niski poziom TCF4 promuje zarówno powolną, jak i szybką miogenezę, ogólnie promując dojrzewanie typu włókien mięśniowych. Tym samym pokazuje to ścisły związek mięśni z tkanką łączną podczas rozwoju embrionalnego.
Regulacja różnicowania miogennego jest kontrolowana przez dwa szlaki: szlak 3-kinazy fosfatydyloinozytolu / Akt i szlak Notch / Hes, które współpracują w celu zahamowania transkrypcji MyoD. Podrodzina O białek forkhead ( FOXO ) odgrywa kluczową rolę w regulacji różnicowania miogennego, ponieważ stabilizuje wiązanie Notch/Hes. Badania wykazały, że nokaut FOXO1 u myszy zwiększa ekspresję MyoD, zmieniając rozmieszczenie szybkokurczliwych i wolnokurczliwych.
Fuzja mięśni
Pierwotne włókna mięśniowe pochodzą z pierwotnych mioblastów i mają tendencję do rozwijania się w wolne włókna mięśniowe. Wtórne włókna mięśniowe tworzą się następnie wokół pierwotnych włókien w pobliżu czasu unerwienia. Te włókna mięśniowe powstają z wtórnych mioblastów i zwykle rozwijają się jako szybkie włókna mięśniowe. Wreszcie włókna mięśniowe, które tworzą się później, powstają z komórek satelitarnych.
Dwa geny istotne w fuzji mięśniowej to Mef2 i czynnik transkrypcyjny skrętu . Badania wykazały, że nokaut Mef2C u myszy prowadzi do defektów mięśni w rozwoju mięśnia sercowego i mięśni gładkich, szczególnie w przypadku fuzji. Gen skrętu odgrywa rolę w różnicowaniu mięśni.
Gen SIX1 odgrywa kluczową rolę w różnicowaniu mięśni hipaksjalnych w miogenezie. U myszy pozbawionych tego genu ciężka hipoplazja mięśni dotyczyła większości mięśni ciała, w szczególności mięśni hipaksjalnych.
Synteza białek i heterogeniczność aktyny
Istnieją 3 rodzaje białek wytwarzanych podczas miogenezy. Białka klasy A są najbardziej rozpowszechnione i są syntetyzowane w sposób ciągły podczas miogenezy. Białka klasy B to białka, które są inicjowane podczas miogenezy i kontynuowane przez cały okres rozwoju. Białka klasy C to te, które są syntetyzowane w określonych momentach podczas rozwoju. Podczas miogenezy zidentyfikowano również 3 różne formy aktyny .
Sim2, czynnik transkrypcyjny BHLH-Pas, hamuje transkrypcję poprzez aktywną represję i wykazuje zwiększoną ekspresję w masach mięśni kończyn brzusznych podczas rozwoju embrionalnego piskląt i myszy. Osiąga to poprzez tłumienie transkrypcji MyoD przez wiązanie się z regionem wzmacniacza i zapobiega przedwczesnej miogenezie.
delta1 w komórkach grzebienia nerwowego jest niezbędna do różnicowania mięśni somitów poprzez szlak sygnałowy Notch . Pozyskanie i utrata tego ligandu w komórkach grzebienia nerwowego powoduje opóźnioną lub przedwczesną miogenezę.
Techniki
Znaczenie alternatywnego splicingu zostało wyjaśnione za pomocą analizy mikromacierzy różnicujących mioblastów C2C12 . Podczas różnicowania C2C12 w miogenezie zachodzi 95 alternatywnych zdarzeń splicingowych . Dlatego alternatywny splicing jest konieczny w miogenezie.
Podejście systemowe
Podejście systemowe to metoda stosowana do badania miogenezy, która manipuluje wieloma różnymi technikami, takimi jak wysokowydajne technologie przesiewowe , testy komórkowe oparte na całym genomie i bioinformatyka , w celu zidentyfikowania różnych czynników systemu. Zostało to szczególnie wykorzystane w badaniu rozwoju mięśni szkieletowych i identyfikacji jego sieci regulacyjnej.
Podejście systemowe wykorzystujące wysokowydajne sekwencjonowanie i analizę chipów ChIP było niezbędne do wyjaśnienia celów miogenicznych czynników regulacyjnych, takich jak MyoD i miogenina, ich wzajemnie powiązanych celów oraz sposobu, w jaki MyoD działa w celu zmiany epigenomu w mioblastach i miotubach. Ujawniło to również znaczenie PAX3 w miogenezie i zapewnia przeżycie miogennych progenitorów.
Podejście to, wykorzystujące wysokowydajny test transfekcji oparty na komórkach i hybrydyzację in situ typu full-mount , zastosowano do identyfikacji regulatora miogenetycznego RP58 i genu różnicowania ścięgien, homeobox Mohawk.