Генетические манипуляции ИФР-1 в мышцах

Трансгенные мыши, у которых в организме происходит чрезмерное образование гена IGF-I, были получены в нескольких лабораториях. В первых экспериментах подобного рода, где использовали мышей с чрезмерным образованием гена СТГ, сообщалось о возрастании на 30 % мышечной массы и увеличении плотности костной ткани (Mathews et al., 1988). Вначале в этих экспериментах использовали металотионеиновый стимулятор, который при активации приводил к увеличению экспрессии ИФР-1 в большинстве тканей организма. Затем для создания трансгенных животных использовали генетические конструкции на основе регуляторных элементов, активация которых специфически происходит в мышцах, в частности стимулятора а-актина (Coleman et al., 1995). Несмотря на то что у таких мышей существенного повышения уровня ИФР-1 в сыворотке крови не происходило, у них наблюдалось существенное увеличение мышечной массы. В дальнейшем той же группой исследователей было показано, что у таких мышей по сравнению с обычными, более эффективно происходит регенерация мышц и мотонейронов (Rabinovsky et al., 2003). Трудно определить, была ли использована в этих генноинженериых экспериментах полноразмерная кДНК и содержала ли вставка структуру, взаимодействующую со связывающим белком. Важно также знать, насколько специфическим для мышечной ткани является образование ИФР-1. Обычно это определяется специфичностью регуляторной последовательности, использованной для осуществления контроля образования в генетической конструкции, которая была внедрена в трансгенное животное. Помимо животных со сверхобразованием ИФР-1, были созданы мыши с отсутствием гена IGF-I, т. е. мыши, в геноме которых не содержалось этого гена. Таким образом, у них не происходило экспрессии ни одного из вариантов ИФР-1 (Baker et al., 1993). Однако такие мыши погибали вскоре после рождения из-за недоразвитости их мускулатуры. Интересно, что результаты проведенных недавно экспериментов с использованием тканеспецифической делеции генов с применением Сге-lохР модели делеции генов поставили под вопрос роль СТГ и продуцируемого в печени ИФР-1 в контроле постнатального роста и развития (Sjogren et al., 1999; Yakar et al., 1999). С помощью этой системы гомологической рекомбинации была осуществлена специфическая делеция гена ИФР-1 в печени, при этом в остальных тканях, а именно: в сердце, мышцах, жировой ткани, селезенке и почках наблюдалась нормальная экспрессия этого гена. Эффект специфической делении гена ИФР-1 в тканях печени на рост и развитие генетически модифицированных мышей проявлялся в снижении уровня ИФР-1 в крови в возрасте 6 месяцев. Интересно, что при оценке размеров тела и массы отдельных органов не было выявлено никаких различий между нокаутными и обычными мышами. Это означает, что постнатальный рост и развитие происходят без участия ИФР-1, вырабатываемого печенью (Sjogren et al., 1999), что еще раз подчеркивает роль локальной системы ИФР-1 в этих процессах.

Перенос генных конструкций, кодирующих различные варианты ИФР-1

Открытие возможности трансфекции мышечных клеток простой внутримышечной инъекцией плазмидного вектора, содержащего структуру кДНК интересующего нас гена, предоставило возможность для лечения заболеваний, при которых наблюдается существенное снижение мышечной массы. Недавно были проведены эксперименты с использованием генетических конструкций, содержащих кДНК различных вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза, в том числе и МФР. В одном из таких экспериментов с целью определения роли МФР в функционировании мышечной ткани проводили инъекцию в мышцы нормальных мышей плазменные соединения с кДНК МФР. В результате через две недели объем мышц, в которые вводилась инъекция, увеличился на 25 % и было установлено, что это происходит за счет увеличения размера миофибрилл (Goldspink, Yang, 2001). Аналогичные эксперименты были проведены другими группами исследователей с использованием вирусных образований, содержащих кДНК варианта ИФР-1, вырабатываемого в печени (IGF-IEa). При этом также наблюдали увеличение мышечной массы менее чем на 20 %, однако для достижения такого эффекта потребовалось более 4 месяцев (Barton-Devis et al., 1998). Кроме лечения определенных заболеваний, перенос генов такого рода может быть использован и с целью злоупотребления. Использование аденовирусного содержимого для доставки генетического материала делает детекцию достаточно простой, поскольку этот вирус влияет на большинство типов клеток. В то же время плазменное соединение обнаружить гораздо сложнее, однако в настоящее время уже проводится разработка новых подходов, основанных на определении различных эффектов влияния на ген.

Передача сигнала ИФР-1 при гипертрофии мышц

Какие именно сигнальные пути опосредуют эффекты ИФР-1, приводящие к гипертрофии скелетной мышцы, пока еще окончательно не выяснено, хотя предполагается, что в этом могут быть задействованы две сигнальные системы: кальциневрин/NFAT (ядерный фактор активированных T-клеток — nuclear factor of activated T-cells) (Musaro et al., 1999; Semsarian et al., 1999) и PI3-KHHa3a/Akt (Rommel et al., 2001). Дальнейшие исследования процессов гипертрофии in vitro и in vivo показали, что в стимуляции гипертрофии принимает участие не кальциневриновый сигнальный путь, а система Akt\mTOR, которая далее может активировать р70 S6 киназу (Bodinc et al., 2001; Rommel et al., 2001). Кроме того, сообщалось, что ИФР-1 в ходе этого процесса может посредством Akt ингибировать сигнальный путь кальципеврин/NFAT (Rommel et al., 2001). К сожалению, во всех исследованиях, проведенных в этом направлении, анализировали экспрессию суммарного ИФР-1 в ответ на физическую нагрузку.

ИФР-I и саркопения

Старение организма сопровождается утратой мышечной массы и функции, однако механизмы, лежащие в основе этого процесса, остаются неясными. Происходит снижение уровня СТГ и ИФР-I в крови (Rudman et al., 1981), а также сокращение количества мышечных волокон (Lexell et al., 1988). Существуют доказательства роли ИФР-I в поддержании массы мышечной ткани у лиц старшего возраста и их количество постоянно увеличивается. Используя рекомбинантный аденоассоциированный вирус, содержащий стимулятор гена легкой цепи миозина (MLC1/3), кДНК ИФР-I вводили в мышцу — длинный разгибатель пальцев стопы (.extensor digitorum longvs) молодым (6 месяцев) и старым (27 месяцев) мышам (Barton-Davis et al., 1998). Это приводило к сверхобразованию ИФР-I (изоформы IGF-IEa) в этой мышце, однако не влияло на изменения уровня ИФР-I в плазме крови. Через 4 месяца после инъекции у молодых животных мышца с инъецированной кДНК ПФР-I имела в среднем на 15 % больше объем и силу по сравнению с необработанной мышцей. У старых животных после инъекции кДНК ИФР-I сила и объем мышцы через 4 месяца увеличивались на 27 % по сравнению с контрольными животными и не отличались от значений соответствующих показателей 6-месячных животных. Другой группе исследователей также удалось показать на животной модели положительное влияние на возрастное снижение массы и функции мышечной ткани сверхобразования гена IGF-IEa (который авторы статьи называют m.IGF-I), которой удалось добиться путем скрещивания трансгенных мышей (Musaro et al., 2001). В возрасте 6 месяцев диаметр миофибрилл у трансгенных животных составлял 32 мкм по сравнению с 18 мкм у диких животных. Вместе с тем гипертрофия затрагивала преимущественно быстро-сокращающиеся мышечные волокна (46 мкм у трансгенных животных и 32 мкм у обычных животных), тогда как медленносокращающиеся волокна практически не отличались от таковых в контрольной группе (16 и 18 мкм). Предполагается, что это обусловлено низким уровнем образования регуляторной кассеты MLC (1/3 локус) в медленносокращающихся мышечных волокнах. При старении трансгенных животных мышечная масса сохранялась практически без изменений до 20-месячного возраста, хотя у диких животных наблюдалась заметная атрофия мышечной ткани. Эти эксперименты с генетически модифицированными животными показывают, что локальный ИФР-I может быть важным фактором в предотвращении возрастного снижения массы мышечной ткани. Так, на модели мышей, у которых путем перерезания сухожилия увеличивали нагрузку на камбаловидную и подошвенную мышцы, было проведено изучение возрастных различий в ответном увеличении локального уровня изоформ ИФР-1 (Owino et al., 2001). Исследовали животных разного возраста (4, 12, 24 месяца) через 5 суток после перерезания сухожилия. У молодых животных в мышцах, подвергавшихся повышенной нагрузке, наблюдалось увеличение уровня мРНК МФР почти па 1200 % по сравнению с мышцами контрольной конечности, в то же время у старых животных это изменение было заметно меньше и составляло всего 500 %. Наблюдалось также увеличение уровня изоформы IGF-IEa, однако в этом случае заметных возрастных различий не выявлено. В проведенных недавно исследованиях изменений уровня изоформ ИФР-I под влиянием физической нагрузки у человека (Hamced et al., 2003а), у лиц старшего возраста по сравнению с молодыми людьми возрастание МФР вскоре после одноразового выполнения силовых упражнений для мышц — разгибателей колена было меньше. В то же время выполнение программы силовой тренировки продолжительностью 10 недель (3 раза в неделю) приводит к повышению общего уровня ИФР-I в мышцах пожилых людей (Singh et al., 1999). Было также показано, что такая программа тренировочных занятий может вызывать у лиц старшего возраста увеличение уровня образования в мышцах всех трех вариантов ИФР-I в результате альтернативного синтеза (IGF-IEa, IGF-IEb и МФР) (Hamced et al., 2004). Интересно, что МФР характеризовался наиболее заметным повышением уровня (см. рис. 14.2). Подобная реакция вне всяких сомнений отображает сохранение способности мышц к гипертрофии в ответ на выполнение силовых упражнений даже у лиц старшего возраста.

⇐ Предыдущая25262728293031323334Следующая ⇒

Поделиться: