Miogeneza - Myogenesis
Miogeneza to tworzenie tkanki mięśni szkieletowych , szczególnie podczas rozwoju embrionalnego .
Włókna mięśniowe na ogół tworzą się poprzez fuzję prekursorowych mioblastów we włókna wielojądrowe zwane miotubami . We wczesnym rozwoju zarodka mioblasty mogą albo proliferować, albo różnicować się w miotubulę. Co kontroluje ten wybór in vivo, jest ogólnie niejasne. Po umieszczeniu w hodowli komórkowej większość mioblastów będzie proliferować, jeśli w pożywce otaczającej komórki znajduje się wystarczająca ilość czynnika wzrostu fibroblastów (FGF) lub innego czynnika wzrostu. Gdy czynnik wzrostu się wyczerpie, mioblasty przestają się dzielić i przechodzą końcowe różnicowanie w miotubule. Różnicowanie mioblastów przebiega etapami. Pierwszy etap obejmuje wyjście z cyklu komórkowego i rozpoczęcie ekspresji niektórych genów.
Drugi etap różnicowania polega na wyrównaniu mioblastów ze sobą. Badania wykazały, że nawet mioblasty szczurów i kurcząt mogą rozpoznawać i dostosowywać się do siebie, co sugeruje ewolucyjne zachowanie zaangażowanych mechanizmów.
Trzeci etap to sama fuzja komórek . Na tym etapie krytyczna jest obecność jonów wapnia . Fuzję u ludzi wspomaga zestaw metaloproteinaz kodowanych przez gen ADAM12 oraz szereg innych białek. Fuzja obejmuje rekrutację aktyny do błony plazmatycznej , po której następuje ścisłe przyłożenie i utworzenie poru, który następnie gwałtownie się rozszerza.
Nowe geny i ich produkty białkowe, które ulegają ekspresji podczas tego procesu, są aktywnie badane w wielu laboratoriach. Zawierają:
- Czynniki wzmacniające miocyty (MEF), które promują miogenezę.
- Czynnik odpowiedzi surowicy (SRF) odgrywa kluczową rolę podczas miogenezy, będąc niezbędnym do ekspresji genów prążkowanej alfa-aktyny. Ekspresja szkieletowej alfa-aktyny jest również regulowana przez receptor androgenowy ; sterydy 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 wiąże się z różnymi czynnikami genetycznymi, których brak spowoduje wady mięśniowe.
Gradacja
| Etap | Powiązane czynniki genetyczne |
|---|---|
| Delaminacja | PAX3 , c-Met |
| Migracja | c-met/ HGF , LBX1 |
| Proliferacja | Pax3, c-Met, Mox2, MSX1 , Six1 / 4, Myf5 , MyoD |
| Determinacja | Myf5 i MyoD |
| Różnicowanie | Miogenina , MCF2 , Six1/4, MyoD , Myf6 |
| Specyficzne tworzenie mięśni | Lbx1, Meox2 |
| Komórki satelitarne | PAX7 |
Delaminacja
.jpg)
Powiązane czynniki genetyczne: Mutacje PAX3 i c-Met
w PAX3 mogą powodować niepowodzenie w 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 ogólnie wyrażany na najwyższych poziomach podczas rozwoju embrionalnego i jest wyrażany w mniejszym stopniu podczas stadiów płodowych; jest wyrażany w migrujących komórkach hipoksyjnych i komórkach dermomiotomu, ale nie jest wyrażany w ogóle podczas rozwoju mięśni twarzy . Mutacje w Pax3 mogą powodować różne komplikacje, w tym zespół Waardenburga I i III, a także zespół twarzoczaszki i głuchotę ręki . Zespół Waardenburga jest najczęściej związany z wrodzonymi zaburzeniami obejmującymi przewód pokarmowy i kręgosłup, między innymi uniesieniem łopatki. Każdy etap wiąże się z różnymi czynnikami genetycznymi, bez których wady mięśniowe będą skutkować.
Migracja
Powiązane czynniki genetyczne: c-Met / HGF i LBX1
Mutacje w tych czynnikach genetycznych powodują brak migracji.
LBX1 odpowiada za rozwój i organizację mięśni grzbietowej kończyny przedniej oraz ruch mięśni grzbietowych do kończyny po rozwarstwieniu . Bez LBX1 mięśnie kończyn nie będą się prawidłowo formować; Badania wykazały, że 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 wymaganym do przeżycia i proliferacji migrujących mioblastów. Brak c-Met zaburza wtórną miogenezę i – podobnie jak w przypadku LBX1 – zapobiega tworzeniu się mięśni kończyn. Oczywiste jest, że c-Met odgrywa ważną rolę w rozwarstwianiu i proliferacji oprócz migracji. Do transkrypcji c-Met potrzebny jest PAX3.
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 modelowanie mięśni kończyn. W szczególności badania wykazały, że kończyny tylne są znacznie zmniejszone, podczas gdy określone mięśnie kończyn przednich nie będą się formować.
Myf5 jest wymagane do prawidłowej proliferacji mioblastów. Badania wykazały, że rozwój mięśni myszy w obszarach międzyżebrowych i przykręgosłupowych może zostać opóźniony przez inaktywację Myf-5. Myf5 jest uważany za najwcześniej eksprymowany gen czynnika regulacyjnego w miogenezie. Jeśli Myf-5 i MyoD zostaną dezaktywowane, nastąpi całkowity brak mięśni szkieletowych. Konsekwencje te dodatkowo ujawniają złożoność miogenezy i znaczenie każdego czynnika genetycznego w prawidłowym rozwoju mięśni.
Determinacja
Associated Genetyczne czynniki: Myf5 i MyoD
Jednym z najważniejszych etapów w miogeneza determinacji wymaga zarówno Myf5 i Myod prawidłowo funkcjonować, aby komórki miogeniczne postęp normalnie. Mutacje w jednym z powiązanych czynników genetycznych spowodują, że komórki przyjmą fenotypy niemięśniowe.
Jak wspomniano wcześniej, połączenie Myf5 i MyoD ma kluczowe znaczenie dla powodzenia miogenezy. Zarówno MyoD, jak i Myf5 są członkami rodziny czynników transkrypcyjnych miogenicznych białek bHLH (basic helix-loop-helix). Komórki wytwarzające miogenne czynniki transkrypcyjne bHLH (w tym MyoD lub Myf5) są zaangażowane w rozwój jako komórka mięśniowa. W konsekwencji jednoczesne usunięcie Myf5 i MyoD skutkuje również całkowitym brakiem tworzenia mięśni szkieletowych . Badania wykazały, że MyoD bezpośrednio aktywuje własny gen; oznacza to, że wytworzone białko wiąże gen myoD i kontynuuje cykl produkcji białka MyoD . Tymczasem ekspresja Myf5 jest regulowana przez Sonic hedgehog , Wnt1 i sam MyoD . Zwracając uwagę na rolę MyoD w regulacji Myf5, kluczowe wzajemne powiązanie dwóch czynników genetycznych staje się jasne.
Różnicowanie
Powiązane czynniki genetyczne: miogeninę , Mcf2 , sześć, Myod i Myf6
Mutacje w tych powiązanych czynników genetycznych uniemożliwi miocytów z pogłębianie i dojrzewania.
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 miotubul i jest specyficzny dla mięśni szkieletowych. Mutacje w Myf-6 mogą wywoływać zaburzenia, w tym miopatię centronuklearną i dystrofię mięśniową Beckera .
Specyficzne tworzenie mięśni
Powiązane czynniki genetyczne: LBX1 i Mox2
W specyficznym tworzeniu 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 powoduje defekty mięśni prostowników i kończyn tylnych. Jak stwierdzono w sekcji Proliferacja, delecja lub mutacja Mox2 powoduje nieprawidłowe wzorce mięśni kończyn. Konsekwencje tego nieprawidłowego wzorcowania obejmują znaczne zmniejszenie wielkości kończyn tylnych i całkowity brak mięśni kończyn przednich.
Komórki satelitarne
Powiązane czynniki genetyczne:
Mutacje PAX7
w Pax7 zapobiegają tworzeniu się komórek satelitarnych, a tym samym zapobiegają poporodowemu wzrostowi mięśni.
Komórki satelitarne są opisywane jako nieaktywne mioblasty i sarkolemma sąsiednich włókien mięśniowych . Mają kluczowe znaczenie 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 w wieku dorosłym.
Mięśnie szkieletowe
W czasie embriogenezy The dermomyotome i / lub miotom w somitów zawierać miogenicznych komórek prekursorowych, które rozwiną się w przyszłej mięśni szkieletowych. Oznaczanie dermomiotomu i miotomu jest regulowane przez sieć regulacji genów, która obejmuje członka rodziny T-box , tbx6, ripply1 i mesp-ba. Miogeneza szkieletowa zależy od ścisłej regulacji różnych podzbiorów genów w celu różnicowania prekursorów miogennych w miowłókna. Podstawowe czynniki transkrypcyjne typu helisa-loop-helix (bHLH), MyoD, Myf5, miogenina i MRF4 mają kluczowe znaczenie dla jego powstania. MyoD i Myf5 umożliwiają różnicowanie miogenicznych komórek progenitorowych w mioblasty, a następnie miogeninę, która różnicuje mioblasty w miotubule. MRF4 jest ważny w blokowaniu transkrypcji promotorów specyficznych dla mięśni, umożliwiając wzrost i proliferację prekursorów mięśni szkieletowych przed różnicowaniem.
Istnieje szereg zdarzeń, które mają miejsce w celu pobudzenia specyfikacji komórek mięśniowych w somicie. Zarówno w bocznych, jak i przyśrodkowych obszarach somitu czynniki parakrynne indukują komórki miotomu do produkcji białka MyoD, powodując w ten sposób ich rozwój jako komórki mięśniowe. Czynnik transkrypcyjny ( TCF4 ) fibroblastów tkanki łącznej jest zaangażowany w regulację miogenezy. W szczególności reguluje rodzaj powstających 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 mięśnia z tkanką łączną podczas rozwoju embrionalnego.
Regulacja różnicowania miogennego jest kontrolowana przez dwa szlaki: szlak 3-kinazy fosfatydyloinozytolu /Akt i szlak Notch /Hes, które działają wspólnie w celu zahamowania transkrypcji MyoD. Podrodzina O białek widełkowych ( FOXO ) odgrywa kluczową rolę w regulacji różnicowania miogennego, ponieważ stabilizują wiązanie Notch/Hes. Badania wykazały, że nokaut FOXO1 u myszy zwiększa ekspresję MyoD, zmieniając rozkład włókien szybkokurczliwych i wolnokurczliwych.
Fuzja mięśni
Pierwotne włókna mięśniowe pochodzą z pierwotnych mioblastów i mają tendencję do rozwijania się w powolne włókna mięśniowe. Wtórne włókna mięśniowe tworzą się następnie wokół włókien pierwotnych w czasie unerwienia. Te włókna mięśniowe powstają z wtórnych mioblastów i zwykle rozwijają się jako szybkie włókna mięśniowe. Wreszcie powstające później włókna mięśniowe powstają z komórek satelitarnych.
Dwa geny istotne w procesie fuzji mięśni to Mef2 i czynnik transkrypcyjny skrętu . Badania wykazały, że nokauty dla Mef2C u myszy prowadzą do defektów mięśni w rozwoju mięśnia sercowego i gładkiego, szczególnie w fuzji. Gen skrętu odgrywa rolę w różnicowaniu mięśni.
SIX1 gen odgrywa kluczową rolę w hypaxial mięśni zróżnicowania miogenezy. U myszy pozbawionych tego genu poważna hipoplazja mięśni dotyczyła większości mięśni ciała, w szczególności mięśni podkolanowych.
Synteza białek i heterogeniczność aktyny
Podczas miogenezy powstają 3 rodzaje białek. Białka klasy A są najliczniejsze i są syntetyzowane w sposób ciągły podczas miogenezy. Białka klasy B to białka inicjowane podczas miogenezy i kontynuowane przez cały rozwój. Białka klasy C to te, które są syntetyzowane w określonych momentach 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 brzusznych kończyn podczas rozwoju embrionalnego kurcząt i myszy. Osiąga to poprzez hamowanie transkrypcji MyoD poprzez wiązanie się z regionem wzmacniacza i zapobiega przedwczesnej miogenezie.
Ekspresja Delta1 w komórkach grzebienia nerwowego jest niezbędna do różnicowania mięśni somitów poprzez szlak sygnałowy Notch . Pozyskiwanie i utrata tego liganda w komórkach grzebienia nerwowego powoduje opóźnioną lub przedwczesną miogenezę.
Techniki
Znaczenie alternatywnego splicingu wyjaśniono za pomocą analizy mikromacierzy różnicujących się mioblastów C2C12 . 95 zdarzeń alternatywnego splicingu występuje podczas różnicowania C2C12 w miogenezie. Dlatego w miogenezie konieczny jest alternatywny splicing .
Podejście systemowe
Podejście systemowe to metoda stosowana do badania miogenezy, która manipuluje wieloma różnymi technikami, takimi jak wysokowydajne technologie przesiewowe , testy komórkowe całego genomu i bioinformatyka , w celu identyfikacji różnych czynników systemu. Zostało to specjalnie wykorzystane w badaniu rozwoju mięśni szkieletowych i identyfikacji jego sieci regulacyjnej.
Podejście systemowe wykorzystujące wysokoprzepustowe sekwencjonowanie i analizę chipów ChIP było niezbędne w wyjaśnieniu celów miogenicznych czynników regulacyjnych, takich jak MyoD i miogenina, ich powiązanych ze sobą celów oraz sposobu, w jaki MyoD wpływa na zmianę epigenomu w mioblastach i miotubulach. Ujawniło to również znaczenie PAX3 w miogenezie i zapewnia przeżycie prekursorów miogennych.
Podejście to, wykorzystujące wysokowydajny test transfekcji oparty na komórkach i hybrydyzację in situ na całej powierzchni , zostało wykorzystane do identyfikacji miogenetycznego regulatora RP58 i genu różnicowania ścięgien, Mohawk homeobox.