Файл: Диплом начисто.doc

Заболевание может также оказать глубокое воздействие на скелетные мышцы. Патологическая атрофия мышц, или кахексия, часто сопровождается такими хроническими заболеваниями, как почечная недостаточность и сердечная недостаточность [4]. Отсутствие двигательной активности, как в случае длительного постельного режима, а также возрастной саркопении, уменьшает существенно как мышечную массу, так и функции.

Потеря мышечной иннервации, как это происходит при амиотрофическом боковом склерозе, также вызывает серьезную атрофию. Эти программы атрофии не просто обращают программы гипертрофии; при этом специфические протеазы и ферменты, нацеленные, на белки-мишени вызывают протеосомную деградацию и активируются действием атрофических сигналов [5]. Интересно, что различные типы волокон проявляют различную чувствительность к атрофии; окислительные волокна, например, противостоят атрофии в условиях денервации.

Изменения в скелетных мышцах, в свою очередь, влияют на развитие и прогрессирование заболеваний. Наличие кахексии при хронических заболеваниях, таких как сердечная недостаточность, являлось фактором, существенно ухудшающим прогноз [4]. Мышцы также являются основным депо для утилизации глюкозы из крови, и резистентность к инсулину в скелетных мышцах является одной из основных причин сахарного диабета второго типа. Тренировка на выносливость, а также связанные с этим изменения в мускулатуре, защищают от сердечно-сосудистых заболеваний, диабета II типа, а также ряда других заболеваний. В самом деле, физическая активность является одной из основных предпосылок для крепкого здоровья. Взаимодействие между пластичностью мышц и этими болезнями все еще недостаточно изучены. Тем не менее, значительный прогресс в раскрытии молекулярных механизмов, регулирующих мышечную пластичность был достигнут за последнее десятилетие. PGC-1 коактиваторы, по-видимому, играют ключевую роль в этом процессе.

2. Pgc-1 коактиваторы

Коактиваторы это белки, которые связываются на транскрипционных факторах и вызывают изменения структуры хроматина и транскрипционного комплекса, приводя к стимуляции экспрессии генов. Большинство факторов транскрипции, вероятно, связываются с одним или несколькими коактиваторами для инициации транскрипции. В последнее время коактиваторы стали важной мишенью физиологических стимулирующих факторов и гормонов. PGC-1α является наиболее изученным примером такого рода регулируемых коактиваторов [6]. PGC-1α был впервые выявлен в качестве индуцируемого холодом PPAR-связывающего белка в буром жире. С тех пор стало очевидным, что PGC-1α может связываться и коактивировать, большинство членов семейства ядерных рецепторов, а также воздействовать на многие другие факторы транскрипции. Вполне вероятно, что PGC-1a приобретает большую часть своей специфичности, коактивируя различные транскрипционные факторы в различных контекстах.

PGC-1 активирует транскрипцию путем связывания набора из нескольких белков, имеющих гистон ацетилтрансферазную активность, в том числе CBP, p300, и SRC-1 [7], а также промежуточных белков комплекса MPC, который, как полагают, обеспечивает функционирование РНК-полимеразы II [8]. Кроме того, PGC-1α содержит РНК-связывающий мотив, RRM и подозревается в участии в процессинге многих мРНК, транскрипцию которых он инициирует [9]. Деятельность PGC-1α можно модулировать с помощью многочисленных посттрансляционных регуляторных сигналов, включая фосфорилирование p38 МАРК и AMPK [10, 11], ацетилированием гена долголетия SIRT1 [12], и метилирования [13]. PGC-1α имеет два структурных гомолога, PGC-1P и более отдаленные PGC-1 родственные коактиваторы (PRC), оба из которых были первоначально идентифицированы по гомологии последовательностей с PGC-1, и которые были менее изучены.

Pgc-1 и окислительный метаболизм

PGC-1 коактиваторы имеют разнообразные биологические активности в различных тканях, включая мышцы, и большинство из этих активностей связаны с окислительным метаболизмом. Оба PGC-1α и р экспрессируются на высоких уровнях в тканях с окислительным метаболизмом, таких как сердце, мозг, почки и мышц. При эктопической экспрессии, PGC-1α и р индуцируют биогенез митохондрий и увеличение клеточного дыхания в культуре клеток. PGC-1α -/- и PGC-1 р -/- мутантные экспериментальные животные имеют аномальные энергетики скелетной и сердечной мышц и у PGC-1α - / - мыши развивают быструю сердечную недостаточность при стрессе [14-17]. При трансгенной экспрессии в скелетных мышцах, как PGC-1α и PGC-1P вызывают заметную стимуляцию митохондриального биогенеза [18-20].

Интенсивная индукция кислородсодержащих цитохромов и миоглобина приводит к тому, что обычно белые мышцы по всему телу трансгенных мышей становятся красными. Трансгенные мыши имеют существенно возросшую окислительную мощность [20] и сопротивляемость к утомлению [18], и трансгенные мыши имели улучшенную спсобность к осуществлению активностей, требующим аэробный тип обмена [19,21].

Как PGC-1 активирует биогенез митохондрий изучено достаточно подробно (см. обзор в [6]). PGC-1 коактиваторы активируют закодированные в ядре гены, вовлеченные в биогенез митохондрий через коактивацию не менее трех транскрипционных факторов: NRF-1 и 2 и ERR. Эти факторы взаимодействуют и активируют регуляторные локусы у многих митохондриальных генов, закодированных в ядре. Гены окисления жирных кислот, который является в значительной степени митохондриальным процессом, регулируются через коактивацию ядерного PPARa рецептора. PGC-1α также активирует экспрессию Tfam и факторов B1 и B2 [6], эти факторы являются ключевыми регуляторами пролиферации и транскрипции митохондриального генома. Таким образом PGC-1 коактиваторы комплексно управляют активацией сотни генов, закодированных в ядре, а также пролиферацией и транскрипцией митохондриального генома, каждый из которых имеет решающее значение для развития этих критически важных и сложных органелл. Генетические исследования на мышах показали, что различные ткани лишенные либо PGC-1α, либо р имеют значительные дефекты в структуре и функциях митохондрий, но животные по-прежнему имеют функциональные митохондрии [14-17]. Удаление обоих PGC-1 коактиваторов, испытаны до сих пор только в контексте бурых жировых клеток, приводит к почти полной потере митохондрий [22].

Pgc-1 и типы волокон

В большинстве своих тканеспецифических ролей, PGC-1 коактиваторы увеличивают базовые программы биогенеза митохондрий и дыхания, а также вспомогательных программ, которые активируются вместе с повышением уровня дыхания в каждой ткани [6]. Экспрессия PGC-1α в белых жировых клетках, например, также придает им многие из свойств бурых жировых клеток, включая увеличение биогенеза митохондрий и экспрессии UCP-1. В печени, голодание вызывает индукцию PGC-1α, что приводит к глюконеогенезу и р-окислению жирных кислот. Аналогичным образом, PGC-1α не только активирует митохондриальные программы в скелетных мышцах, но также индуцирует гены, кодирующие белки миофибрилл, характерные для окислительных волокон.

Мыши трансгенно экспрессирующие PGC-1α увеличивают долю волокон экспрессирующих MHC I и IIA [18], в то время как мыши, экспрессирующие PGC-1P почти полностью переключаются на окислительные типы волокон IIX [19]. PGC-1 коактиваторы таким образом осуществляют комплексную фенотипическую трансформацию, включая базовые программы митохондриального биогенеза и вспомогательные маршруты определяющие содержание миофибрилл.

Достоверно остается не совсем ясно, какие именно факторы транскрипции опосредуют активацию специфических для волокон генов коактиватором PGC-1α. Предполагается, что Mef2 семейство факторов транскрипции вовлечено в процесс определения типа волокон и последние активируются через физические упражнения [23]. В экспериментах на культуре клеток, PGC-1α коактивирует Mef2, с последующей индукцией генов волокон типа I, таких как тропонин I и миоглобин [18]. Тем не менее, PGC-1P является в равной степени активным индуктором Mef2 в этих тестах, однако PGC-1р имеет очень различающееся воздействие на состав волокон in vivo [19]. Очевидно, что существуют и другие факторы, которые должны обеспечивать специфичность этих программ. Одним из возможных кандидатов является PPARp, чувствительный к липидам ядерный рецептор. Мышце специфичное удаление PPARp приводит к сдвигу типа волокон «медленные-быстрые», а мышце - специфическая суперэкспрессия PPARp имеет обратный эффект [24]. Совместное воздействие коактиваторов PGC-1 и PPARp на волокно-специфические промоторы, однако, не было достаточно изучено.

Важно подчеркнуть, что коактиваторы PGC-1, вероятно, не единственные факторы определяющие тип волокна. Животные, лишенные PGC-1 в скелетных мышцах имеют редуцированные волокна типов I и IIa, но они сохраняют необходимое количество этих волокон [25]. Интересно, что животные лишенные PGC-1α по всему телу имеют нормальные количества волокон типа I и IIA [14], что еще раз подчеркивает наличие PGC-1-независимых компенсационных механизмов. Содержание волокон животных лишенных PGC-1 обоих видов (α или Р) не сообщалось.

Pgc-1 и физические упражнения

Тренировка на выносливость индуцирует биогенез митохондрий а и переключение типов волокон «быстрые-медленные» волокна в скелетных мышцах. Как PGC-1α, так и р преимущественно экспрессируются в окислительных волокнах [18,19], а PGC-1α преимущественно экспрессируется в скелетных мышцах богатых волокнами типа I и IIA, таких как камбаловидной или глубокой икроножной [18]. Экспрессия PGC-1α в скелетных мышцах человека и грызунов сильно индуцируется физической активностью (например, [26]), в то время как экспрессия PGC-1β остается неизменной. Эти наблюдения, в сочетании со способностью PGC-1 индуцировать биогенез митохондрий и процесс переключения развития типов волокон, привели к положению о том, что PGC-1α опосредует действие множество геномных эффектов физических упражнений.

Если да, то какие процессы являются предшествующими действию PGC-1a? Целый ряд сигнальных маршрутов, активированных во время физических упражнений могут влиять на PGC-1α. Сокращение мышц генерирует мощные потоки ионов кальция. Амплитуда и частота этих потоков активирует различные сигнальные маршруты, в том числе, регулируемые фосфатазой кальциневрина и кальмодулин-модулированной киназой, оба из которых могут влиять на экспрессию и активности PGC-1α. Кальциневрин, в частности, активизируется низкочастотными Са²⁺ переходами малой амплитуды типичными при ходьбе или тренировках на выносливость. Трансгенная экспрессия кальциневрина в скелетных мышцах вызывает переключение типа «быстрая-медленная», в волокнах мышц [27]. И наоборот, у мышей, у которых изоформы кальциневрина были удалены, а также у животных или изолированных мышц подвергнутых действию ингибиторов кальциневрина, проявляют либо потерю медленных волокон или блокирование процесса зависимого от физической активности переключения фенотипа волокон по типу «быстрые-медленные» [28]. Поэтому вероятно, что эффект кальциневрина на экспрессию генов происходит в значительной степени через PGC-1α. Это может отчасти происходить посредством активации транскрипционного фактора Mef2, известной мишени Са²⁺ сигнальных маршрутов. Физическая активность стимулирует активность Mef2 [23], и индукция PGC-1α промотора при сокращение требует наличия нетронутых сайтов связывания Mef2 [29].

Упражнения также влияют на уровни высокоэнергетических фосфатов, таких как АТФ и АДФ, что приводит к активации AMФ зависимых АМФ-киназ (AMPK) [30]. В последнее время предполагается, что AMPK был вовлечены в трансформацию волокон и в биогенез митохондрий индуцированный физическими упражнениями и другими стимулами [31]. По крайней мере, некоторые из геномных эффектов AMPK в скелетных мышцах происходят через PGC-1α, что предполагает способность PGC-1α к трансдукции вызванных физической активностью осуществлением AMPK сигналов. Адренергическая система, через циклическую AMФ и через другие вторичные мессенджеры, а также, вероятно, вносит свой вклад в осуществление опосредованных упражнениями пластичности скелетных мышц. P-адренергическая стимуляция вызывает мощную экспрессию PGC-1α в скелетных мышцах, а р-адренергические антагонисты частично блокировали индукцию PGC-1а при упражнениях.