На правах рукописи

ТУРТИКОВА Ольга Владимировна

РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОСТУРАЛЬНОЙ МЫШЦЕ В УСЛОВИЯХ ГРАВИТАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ И МЫШЕЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ЕЕ ФОНЕ

03.00.13 - физиология
03.00.25 - гистология, цитология, клеточная биология

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской федерации - Институте медико-биологических проблем РАН

Научный руководитель:
доктор биологических наук, профессор Борис Стивович Шенкман

Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор Виноградова Ольга Леонидовна
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Морозов Владимир Игоревич

Ведущая организация: Институт цитологии РАН,

Защита состоится " " __________ 2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.01 при Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН), г. Москва, Хорошевское ш., д. 76а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - Института медико-биологических проблем РАН

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук
М.А. Левинских

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы:

Скелетная мышца - пластичный орган, что позволяет ей адаптироваться к изменению условий функционирования, воздействующих как на мышцу, так и на организм в целом. Хроническое снижение функциональной нагрузки на постуральные мышцы и, прежде всего, на m. soleus при длительном изменении действия гравитационных сил приводит к глубокой перестройке структурно-функциональной организации мышечной ткани, снижению сократительных возможностей (силы и работоспособности), снижению жесткости мышцы и ее волокон, к уменьшению размеров волокна, объема ядерного и миофибриллярного аппарата, т.е. атрофии [Allen et al.,1996; Falempin et al.,1998; Riley et al., 1990; Wang, 2006 и др. ]. Теоретически масса скелетной мышцы при разгрузке или нагрузке может меняться за счет изменения содержания белка, реализуемого через модуляцию числа миоядер, скорости процессов транскрипции, трансляции и интенсивности протеолиза [Favier et al.,2008].

Настоящая работа включает в себя исследования в области гравитационной физиологии, касающиеся механизмов мышечной пластичности в условиях моделируемой гравитационной разгрузки и мышечного напряжения на ее фоне.

При хроническом пассивном растяжении мышцы достигается длительное искусственное повышение механического напряжения структур мышечных волокон. Оно позволяет предотвратить большинство атрофических проявлений в постуральных мышцах млекопитающих, развивающихся при пребывании в условиях гравитационной разгрузки (уменьшение размеров мышечных волокон, снижение числа миоядер, содержания белка в мышечной ткани, изменение миозинового фенотипа) [Goldspink et al., 1986; Leterme et al., 1994; Немировская и др., 2003]. Пассивное растяжение m. soleus значительно увеличивает скорость синтеза мышечных белков [Goldspink, 1977]. Данные наших исследований свидетельствуют о том, что этот эффект растяжения зависит преимущественно от механизмов, локализованных в самой мышце (а не связан с работой проприоцепторов растяжения) [Nemirovskaya et al., 2002]. Однако клеточные механизмы профилактических эффектов растяжения на фоне функциональной разгрузки остаются в значительной степени неясными.

Поскольку механизмы гипертрофического действия пассивного растяжения интактной мышцы, как правило, идентичны механизмам, обеспечивающим гипертрофический эффект при резистивной физической нагрузке, мы предположили, что эти известные механизмы рабочей гипертрофии обеспечивают также и поддержание массы постуральной мышцы при ее пассивном растяжении на фоне гравитационной разгрузки.

Показано, что при растяжении мышцы происходит экспрессия ростового фактора MGF (сплайс-варианта инсулиноподобного фактора роста IGF-1) [McKoy et al., 1999], который стимулирует пролиферацию резидентных стволовых клеток (клеток-миосателлитов) в мышечной ткани [Adams et al., 1999]. Активация покоящихся миосателлитов, их введение в пролиферативный цикл с последующим слиянием с материнским волокном и увеличением, таким образом, его ядерного пула могла бы играть важную роль в развитии ростовых процессов; однако, нет работ, однозначно доказывающих необходимость включения ядер миосателлитов для поддержания размеров волокон разгруженной мышцы при растяжении.

Недавние работы свидетельствуют о возможной сигнальной роли белка дистрофина в предотвращении активации протеолиза в мышечной ткани при системной кахексии [Acharyya et al., 2005; Glass, 2005]. У мышей mdx с нарушенным синтезом дистрофина не происходит синтез механо-зависимого фактора роста MGF [Goldspink et al., 1996]. Это позволяет предположить, что дистрофин (или комплекс ассоциированных с ним белков) является сигнальным звеном, необходимым для реализации анаболического эффекта пассивного растяжения мышцы.

Известно, что рост мышцы может инициироваться действием IGF-1, а также непосредственным механическим раздражением за счет изменения структуры цитоскелетных белков. Цитоскелет выполняет важнейшие сигнальные функции, и были показаны его изменения при функциональной разгрузке [Lange et al, 2005; Kandarian, 2006 и др.]. Уже в течение первой недели разгрузки при использовании общепринятой модели антиортостатического вывешивания деструкция титина и небулина достигает предельных значений [Подлубная и др., 2006]. В то же время действие пассивного растяжения m. soleus после предшествующей функциональной разгрузки и деструкции цитоскелета в настоящее время не изучено.

Рост мышцы при гипертрофии неизменно сопряжен с активацией процессов синтеза белка на рибосомах [Bodine et al., 2001; Pallafacchina, 2002]. Cущественная роль системы фосфорилирования рибосомальных киназ (Akt/mTOR) была выявлена и при растяжении интактной m. soleus [Aoki et al., 2006]. При этом известно, что при гравитационной разгрузке функция этой системы подавляется [Bodine et al., 2001]. Вклад системы Akt/mTOR в поддержание синтеза белка в постуральной мышце при растяжении на фоне разгрузки также не изучен.

Таким образом, механизмы, запускающие ростовые процессы, лежащие в основе поддерживающего действия пассивного растяжения постуральной мышцы при гравитационной разгрузке, очевидно, отличны от таковых при растяжении интактной мышцы и в настоящее время требуют изучения.

Цель работы состояла в анализе феноменологии и механизмов изменения основных характеристик ростовых процессов в постуральной мышце млекопитающих в условиях моделируемой гравитационной разгрузки, а также разгрузки, сочетанной с хроническим растяжением мышцы.

Задачи работы:

• охарактеризовать основные параметры ростовых процессов в постуральной мышце млекопитающих (размеры волокон, концентрацию белка, состояние ядерного пула и количество клеток-миосателлитов) в условиях моделируемой гравитационной разгрузки и растяжения на фоне гравитационной разгрузки;
• исследовать действие пассивного растяжения на m. soleus крыс после 7 суток моделируемой гравитационной разгрузки;
• оценить роль клеток-миосателлитов в реализации профилактического действия пассивного растяжения m. soleus на фоне разгрузки;
• проверить гипотезу о триггерной роли белка дистрофина в ростовых процессах при растяжении на фоне разгрузки;
• проверить гипотезу об участии системы mTOR (фосфорилирования рибосомальных киназ) в реализации анаболического поддерживающего эффекта пассивного растяжения разгруженной постуральной мышцы.

Научная новизна работы:

• впервые показано, что пассивное растяжение на фоне вывешивания позволяет предотвратить снижение массы и размеров волокон m. soleus мышей mdx, дефектных по гену дистрофина;
• впервые показано, что пассивное растяжение на фоне вывешивания приводит к резкому усилению процессов пролиферации в m. soleus и увеличивает количество клеток-миосателлитов, экспрессирующих М-кадгерин и NCAM;
• впервые показано, что поддержание площади поперечного сечения мышечных волокон и содержания белка в m. soleus при растяжении на фоне разгрузки происходит также и при дефиците делящихся клеток-миосателлитов, вызванном облучением;
• впервые установлено, что после 7 суток разгрузки (и развившейся некомпенсированной деструкции цитоскелета) профилактический эффект пассивного растяжения m. soleus сохраняется;
• установлено, что профилактический антиатрофический эффект пассивного растяжения m. soleus при вывешивании сохраняется при блокировании протеинкиназы mTOR.

Научная и практическая значимость:

Полученные результаты расширяют представление о течении ростовых процессов в постуральной мышце млекопитающих в условиях гравитационной разгрузки и разгрузки в сочетании с пассивным растяжением (моделью эксцентрической нагрузки), а также механизмах, лежащих в основе анаболического эффекта растяжения. Исследование ростовых процессов в постуральной мышце имеет большое практическое значение для оценки эффективности мероприятий, направленных на профилактику атрофии мышц, в том числе - на предотвращение негативного влияния на них невесомости, а также создает предпосылки для совершенствования средств физической профилактики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Миоядерный пул, клетки-миосателлиты, синтез белка - основные компоненты ростовых процессов в постуральной мышце - демонстрируют значительную редукцию в условиях моделируемой гравитационной разгрузки.
2. Применение пассивного растяжения на фоне гравитационной разгрузки как способа навязать мышце хроническое механическое напряжение приводит к поддержанию или увеличению всех основных компонентов ростовых процессов. Однако вклад каждого из этих компонентов в поддержание мышечной массы в этих условиях неодинаков. Искусственная редукция ядерного пула или снижение числа сателлитных клеток могут быть компенсированы при растяжении другими процессами и не оказывать влияния на поддержание мышечной массы.
3. Интенсификация синтеза белка для поддержания белковой массы мышцы при пассивном растяжении в условиях гравитационной разгрузки осуществляется на основе сигнальных путей, отличающихся от изученных путей, регулирующих рабочую гипертрофию мышцы.

Апробация работы

Результаты исследований и основные положения работы были представлены и обсуждены на 35-й и 36-й европейских мышечных конференциях (Гейдельберг, Германия, 2006; Стокгольм, Швеция, 2007); 28-м и 29-м Международных конгрессах по гравитационной физиологии (Сан Антонио, США, 2007; Анже, Франция, 2008); 16-м Международном симпозиуме "Человек в космосе" (Пекин, Китай, 2007); Международном симпозиуме "Биологическая подвижность" (Пущино, 2008); Российско-британском семинаре молодых ученых (Екатеринбург, 2007); 5-ой и 6-ой Конференциях молодых ученых, специалистов и студентов, посвященных дню космонавтики (ИМБП, Москва, 2007-2008).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания организации экспериментов и методик обработки биологического материала, изложения результатов исследования и их обсуждения, общего заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 93 страницах печатного текста, включает 15 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 203 наименований.

Полный текст автореферата (в формате MS Word, 709 Kb)