Файл: Диплом начисто.doc

Также было показано, что p38 МАРК, активируется упражнениями и, вероятно, вносит свой вклад в резкую индукцию экспрессии PGC-1α. Кроме того, p38 МАРК непосредственно фосфорилирует PGC-1α в культуре клеток, приводя к стабилизации как белка PGC-1α, так и диссоциацию от p160myb репрессора [10,11], хотя остается показать происходит ли это в скелетных мышцах в ответ на упражнения. Продукция активных форм кислорода (АФК) увеличивается во время физических упражнений и АФК может приводить к индукции PGC-1α, из этого следует, что АФК может служить в качестве стимулятора PGC-1α через физические упражнения. Наконец, гипоксия, как уже давно предполагается, является стимулом для генетических изменений в ходе прерывистых, но достаточно интенсивных упражнений, а PGC-1 является индуцируемым гипоксией фактором в клетках скелетной мускулатуры [32]. Влияние всех этих путей на PGC-1р не изучена в должной степени.

PGC-1, таким образом, видимо является важным связующим звеном для передачи внеклеточной информации в изменения экспрессии генов. Представляется весьма вероятным, что, по крайней мере, некоторые из этих путей влияют на экспрессию или функции PGC-1α (или PGC-1P) во время физических упражнений, способствуя, в свою очередь, последующим фенотипическим изменениям, включая биогенез митохондрий, переключения типов волокон и ангиогенез (см. ниже). Формально демонстрация этой идеи потребует получения мышей, лишенных PGC-1α. PGC-1α -/- мыши гиперактивны и худы, и, следовательно, трудно изучить механизм без решения сопутствующих многочисленных вопросов [22]. Мыши, лишенные PGC-1α специфично в скелетных мышцах имеют умеренно сниженный уровень тренированности [25], но эффект тренировки на выносливость у этих мышей не проявлялся. Мыши, лишенные как PGC-1 и PGC-1 р, если и были бы жизнеспособны, также представляли бы большой интерес.

Pgc-1 и ангиогенез

Заболевания периферических сосудов является ведущей причиной смертности и наиболее распространенной причиной ампутации конечностей в промышленно развитых странах. Хроническая ишемия может оказать глубокое воздействие на мышечную систему. Так как окислительное фосфорилирование на сегодняшний день является наиболее эффективным способом продукции АТФ в мышцах, надежный биосинтез АТФ в мышцах жизненно зависит от степени эффективности доставки кислорода и питательных веществ. Ангиогенез, в связи с этим, является критически важным гомеостатическим ответом на хроническую ишемию. Ангиогенез представляет собой сложный процесс, посредством которого новые кровеносные сосуды формируются из предсуществующих сосудов [33]; он отличается от васкулогенеза представляющего формирование судов de novo во время эмбриогенеза. Процесс в значительной степени координируется растворимыми факторами, происходящими из тканей, нуждающихся в неоваскуляризации. VEGF является наиболее изученным из этих факторов, является мощным активатором пролиферации эндотелия, проницаемости и миграции, а также имеет решающее значение для почти всех форм неоваскуляризации. Ангиогенный ответ на ишемию, однако, часто недостаточен, поэтому огромные усилия посвящены тому, чтобы найти способы стимуляции ангиогенеза при ишемических тканях.

Предметом интенсивного изучения в течение десятилетий является проблема раскрытия комплекса регулирующих функции генов сигналов, реально управляющих процессами ангиогенеза. Лучше всего понятым является процесс с участием гипоксия индуцируемого транскрипционного фактора-1а (HIF-1a). В присутствии кислорода, HIF-1а тормозится гидроксилированием и является мишенью направленной деградации в присутствии кислорода [34]. Низкий уровень кислорода останавливает эти процессы, и стабилизированный HIF-1a фактор гетеродимеризуется с распространенным HIF-1P для активации ряда генов, участвующих в гипоксическом ответе. Среди них VEGF и других растворимых факторов, которые координируют сильный ангиогенных ответ на гипоксию.

В последнее время установлено, что PGC-1a является важным и новым индуктором ангиогенеза в скелетных мышцах [32]. PGC-1a сильно стимулирует экспрессию VEGF, а также другие ангиогенные факторы, такие как PDGFB и ангиопоэтин 2, в культуре клеток мышцы и скелетных мышцах in vivo. Трансгенная экспрессия PGC-1a в скелетных мышцах резко увеличивает плотность капилляров. Кроме того, PGC-1а индуцируется при недостатке питательных веществ и кислорода, а полная индукция VEGF в этих условиях требует активности PGC-1a. Это позволило предположить, что PGC-1a может играть важную роль в ангиогенном ответе на ишемию. В самом деле, PGC-1a -/- мыши показывают поразительную неспособность нормально восстанавливать ток крови к конечности после ишемического инсульта. И наоборот, PGC-1а трансгенез ускоряет восстановление кровотока в конечности при ишемии. Эти результаты существенно усиливают вероятность вовлеченности PGC-1а в регуляцию ангиогенеза в мышцах в ответ на ишемию. Удивительно, но механизм, посредством которого PGC-1а вызывает индукцию VEGF, по-видимому, не включают канонические HIF маршруты. Вместо этого, PGC-1a коактивирует орфановые ядерные рецепторы ERRa как на уровне промотора, так и вновь открытых энхансерах в первом интроне гена VEGF [32]. Таким образом, PGC-1 и ERRa контролируют новые, HIF-независимые ангиогенные маршруты, которые доставляют необходимый кислород и субстраты в условиях ишемии.

Вполне вероятно, что PGC-1 также играет важную роль в ангиогенезе в физиологических условиях, в дополнение к патологической ишемии. Микрососудистая плотность, максимальный поток крови, и окислительный потенциал удивительно связаны в скелетных мышцах при нормальных условиях. Мышцы с окислительным обменом содержат богатые капиллярные сети и большое количество капилляров примыкают к окислительным нежели к гликолитическим волоконам. На самом деле, соотношение поверхности капилляров, к поверхности внутренних мембран митохондрий в том или ином типе волокна, поддерживается достаточно точно на уровне 1:200 [33]. Предполагается, что эта тесная связь отражает возросшую необходимость доставки кислорода к митохондриям, и сниженную эффективную длину диффузии, образованную наличием метаболически активных митохондрий.

Для поддержания этого жесткого соответствия, упражнения на выносливость и стимулируют ангиогенез в скелетных мышцах, чтобы обеспечить ускорившийся биогенез митохондрий [35]. Кроме того, хроническая электрическая стимуляция «быстрых» мышц на частоте соответствующей обычным природным условиям для медленных мышц приводит к резкому возрастанию плотности капилляров, с одновременным увеличением окислительной мощности. В настоящее время мало данных существуют для полного понимания молекулярных механизмов лежащих в основе этого процесса. Как уже говорилось, экспрессия PGC-1a сильно индуцируется физической нагрузкой у грызунов и у людей, и PGC-1 является мощным индуктором митохондриального биогенеза и ангиогенеза в скелетных мышцах [20, 32]. Похоже, таким образом, что PGC-1а играет ключевую роль как в вызванной физическими упражнениями ангиогенезе так и в пролиферации митохондрий, таким образом, тесно координируя доставку кислорода и питательных веществ с их потреблением в митохондриях. Это еще предстоит доказать.

Pgc-1 и болезнь

Большая масса белков, входящих в состав миофибриллярного аппарата скелетных мышц является важным резервуаром для аминокислот в организме. Этот резервуар может быть использован для энергетических потребностей в случае необходимости, такие как длительное голодание, или при различных патологических состояниях, таких как рак, сепсис, а также почечная и сердечная недостаточности. В то время как распад белков нормален в ответ на длительное голодание, истощение и кахексия, связанные с хроническими заболеваниями могут быть изнурительными. В самом деле, утрата скелетных мышц является плохим прогностическим фактором во многих хронических заболеваний, таких как рак и сердечная недостаточность. Разрушение миофибриллярных белков инициируется, по крайней мере частично, набором Е3-убиквитин лигаз, в том числе и Murf1 Atrogin-1/MAFbx, которые нацеливают на белки подвергающиеся деградации протеосомами [5]. Экспрессия этих лигаз сильно индуцируется при различных катаболических состояниях, как физиологических, так и патологических, через транслокацию фактора транскрипции FoxO3 в ядро, где последний активирует гены Murf1 и Atrogin-1. Анаболические сигналы, такие как инсулин или инсулиновый фактор роста противодействуют этому процессу.

Давно было известно, что различные мышечные волокна имеют различную чувствительность к катаболическим сигналам. Гликолитические волокна, например, атрофируются быстрее во время голодания или сепсиса, чем окислительные волокна. Наоборот, физическая активность является одним из самых эффективных способов предотвращения потери мышечной массы при патологическом катаболизме. Такие катаболические состояния, как рак, сепсис и почечная недостаточность, сильно подавляют экспрессию PGC-1а в скелетных мышцах in vivo [36], в то время как упражнение увеличивают уровень PGC-1a. Эти наблюдения позволили предположить, что PGC-1a может защищать организм от атрофии. Денервация задних конечностей мыши приводит к заметной атрофии - моделирование потери мышц, наблюдающееся при заболеваниях мотонейронов человека, таких как ALS. Трансгенная экспрессия PGC-1a в скелетных мышцах полностью блокировала этот атрофический ответ [37]. Кроме того, атрофии могут быть вызваны прямой доставкой гена конститутивно активного FoxO3 в скелетных мышцах, тем самым индуцируя Murf1 и Atrogin-1. Опять же, одновременное внедрение PGC-1а полностью блокировало атрофию в этой ситуации [37].

PGC-1а может также защитить от миопатии, вызванной препаратами и наркотиками. Статины широко используются для лечения повышенного холестерина, однако распад мышц является их самым значительным, а иногда и смертельным, побочный эффектом. Обработка клеток или лечение животных статинами индуцирует атрофические программы, включая экспрессию Atrogin-1 [38]. Поразительно, что повышенная экспрессия PGC-1а сильно блокировала индукцию Atrogin-1 и также последующего повреждения мышц в данном случае [38]. Таким образом, по-видимому, PGC-1а, обладает мощной анти-атрофической функцией.

Как экспрессия PGC-1a регулируется в катаболических состояниях, и как PGC-1a защищает от атрофии, остаются неясными. PGC-1а, в норме являясь, мощным коактиватором транскрипции, в данном случае эффективно подавляет активность FoxO3 на Murf1 и Atrogin-1 генов. Наличие избыточной экспрессии PGC-1 снижает степень связывания FoxO3 на промотере Atrogin-1 [37], что предполагает отсутствие у PGC-1а функции прямого ингибитора транскрипции. Иннервация является мощным анаболическим сигналом, а PGC-1a вызывает индукцию образования компонентов нервно-мышечного соединения (NMJ) [39]. PGC-1, поэтому может частично блокировать катаболические сигналы косвенно за счет увеличения анаболических сигналов через NMJ. Кроме того, биогенез митохондрий индуцированный PGC-1а может объяснять часть защиты за счет улучшения Са²⁺ ионных потоков и/или энергетики клетки.

PGC-1a также обеспечивает защиту от мышечной дистрофии. Мышечная дистрофия Дюшенна (МДД) является универсальным смертельным заболеванием вызываемыми мутациями в гене дистрофина. Отсутствие дистрофина приводит к дегенерации скелетной и сердечной мышц, и неизбежной смерти в раннем возрасте. Мыши, дефицитные по гену дистрофина (MDX мыши) повторяют многие из признаков МДД. Поразительно, что трансгенная экспрессия PGC-1а у MDX мышей существенно замедляет дегенерацию мышц и улучшает мышечную функцию [39]. Опять же, не совсем ясно, как PGC-1a защищает от дистрофии. Некоторые механизмы, вероятно, частично перекрываются с анти-атрофическими программами. PGC-1 также вызывает стимуляцию утрофина, гомолога дистрофина, который может компенсировать отсутствие дистрофина [39].

Скелетные мышцы являются первичным органом утилизации глюкозы в ответ на инсулин, и мышечное противодействие действию инсулина является одним из основных причинных факторов диабета типа II. Роль PGC-1а в резистентности к инсулину является комплексной. PGC-1a стимулирует GLUT4, основной транспортера глюкозы в скелетных мышцах [40]. Экспрессия генов обоих коактиваторов PGC-1, а также суммарная программа окислительного фосфорилирования скоординированно репрессируется в скелетных мышцах у пациентов с сахарным диабетом II типа. Поразительно, что это верно даже для членов семьи, не затронутых болезнью, что предполагает раннюю, причинно-следственную связь. С другой стороны, мыши трансгенно экспрессирующие PGC-1а в скелетной мышце, не чувствительны к инсулиновой сигнализации [21], и мыши, лишенные PGC-1a в скелетных мышцах не устойчивы к действию инсулина [22, 41]. Роль PGC-1 в мышечной инсулинорезистентности, таким образом, остается не до конца понятой. Интересно, что отсутствие PGC-1 в скелетной мускулатуре действительно приводит к поджелудочной р-клеточной дисфункции и низкому уровню инсулина [41]. Это подразумевает существование важного, PGC-1-зависимого, перекрестного сигнального сообщения между мышечными и р-клетками. Как это происходит, не ясно, однако, наличие низкого уровня воспаления у мышей, лишенных PGC-1 в скелетной мышце может объяснять некоторые из наблюдавшихся эффектов [41].