УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2012, том 43, № 3, с. 3-20
УДК 577.2.04
ФУНКЦИИ ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ В УСЛОВИЯХ ГРАВИТАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ. ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ
© 2012 г. Е. В. Качаева, И. Б. Ушаков, Б. С. Шенкман
Учреждение РАНГНЦРФ Институт медико-биологических проблем РАН, Москва
В обзоре представлены данные об атрофии, которая вызвана длительной инактивацией скелетных мышц и представляет собой результат смещения баланса между синтезом белка и протеолизом в сторону активации распада. На сегодняшний день известно несколько сигнальных путей, участвующих в протеолизе, однако лишь недавно исследователи стали проявлять интерес к вопросу, работают ли эти системы одинаково при атрофии, вызванной функциональной разгрузкой и другими стимулами (денервация, голодание и т.п.). Задачей обзора было суммировать и проанализировать накопленный к настоящему времени массив данных о работе протеолитических систем при атрофии скелетных мышц, вызванной гипокинезией или гипогравитацией. Особое внимание обращено на последние данные, свидетельствующие о значительной сигнальной роли протеолитических систем в процессах регуляции экспрессии генов и перестройки мышечного фенотипа.
Ключевые слова: скелетная мышца, атрофия, гипокинезия, протеолиз, сигнальные системы.
ВВЕДЕНИЕ
Функциональная разгрузка, обусловленная пребыванием в невесомости или длительным соблюдением постельного режима при серьезных заболеваниях, как известно, приводит к существенным физиологическим изменениям скелетных мышц, в особенности, антигравитационных или опорных, таких, как камбаловидная мышца. Исследования на животных [7] и с участием добровольцев [16] показали, что разгрузка вызывает мышечную атрофию, проявляющуюся не только в потере мышечной массы, но и в ухудшении функциональных способностей скелетных мышц, что является результатом изменений, происходящих на клеточном уровне.
Для исследования процессов, происходящих при разгрузке, используют специально разработанные для этих целей модели, применяемые как на животных (вывешивание задних конечностей) [73], так и в экспериментах с участием человека (постельная гипокинезия, сухая иммерсия). Каждая из описанных моделей приводит к развитию комплекса структурно-функциональных изменений, выражающегося в снижении площади поперечного сечения мышечных волокон, снижении силы сокращения, как целой мышцы, так и ее одиночных волокон [2, 6, 105, 124]; в изменениях миозинового фенотипа волокон [37, 108] и фер-
ментативной активности [7]. Некоторые авторы связывают развитие такого гипогравитационного мышечного синдрома [8] с изменением концентрации циркулирующих в крови факторов, таких как гормон роста, глюкокортикоиды и анаболические стероиды, и их прямым воздействием на мышечные волокна [118]. В то же время, было показано, что атрофия, возникающая при вывешивании задних конечностей животных, не является прямым следствием действия кортизола [102], несмотря на то, что при вывешивании действительно наблюдается повышение концентрации глюкокортикоидных рецепторов в цитозольной фракции гомогената мышц [48]. Следовательно, необходим поиск других механизмов, участвующих в запуске и развитии атрофии в скелетных мышцах в условиях функциональной разгрузки.
В процесс развития атрофии мышц при гипо-кинезии/гипогравитации вовлечены компоненты сигнальных систем, направленных на активацию протеолитических процессов и на поддержание белкового баланса в мышечной ткани. Так, было показано увеличение содержания компонентов TGF-fi/Smads (transforming growth factor-P) сигнального пути [126], подавление активности фос-фатидилинозитол-3-киназного (IGF-1/PI3K/Akt/ mTOR) сигнального каскада, играющего роль центрального регулятора между инсулином/IGF-!,
а также активацией протеолитических или синтетических путей в скелетной мышце [13].
Какие бы сигнальные системы не активировались при разгрузке, мышечная атрофия, в настоящее время, считается следствием усиления протеолиза и снижения интенсивности белкового синтеза в мышечных волокнах. В данной работе мы поставили задачу проанализировать основные известные на сегодняшний день пути активации протеолиза в постуральных мышцах в условиях функциональной разгрузки.
ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОТЕОЛИЗА В СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦАХ
При изучении атрофического процесса в условиях гипокинезии/гипогравитации, следует рассматривать, как минимум, три катаболических пути, с помощью которых осуществляется про-теолиз: Са2+-зависимый, лизосомальный и АТФ-убиквитин-зависимый протеолитический путь. Однако при атрофии, вызванной функциональной разгрузкой, в отличие от денервации, активность лизосомальных протеаз повышается лишь незначительно [30].
В то же время, неоднократно было показано, что вывешивание животных и гипокинезия людей приводят к повышению уровня мРНК компонентов убиквитин-протеасомной системы (УПС) в атрофированной мышце [110, 117], а также к увеличению числа убиквитинированных белков [45], что свидетельствует об активном участии протеа-сомного расщепления белков в процессе развития атрофии мышц при разгрузке.
Кроме того, заметный вклад в расщепление структурных и функциональных белков вносит активность Са2+-зависимых протеаз, кальпаинов [27, 110, 113]. Показано, что кальпаины не являются конечной протеолитической системой, и не расщепляют белки до аминокислот или небольших пептидов [32], являясь, по-видимому, системой первичной деградации структурных белков мышцы.
Конечным результатом активации протеоли-тических систем является изменение количества структурных мышечных белков, а, следовательно, и снижение функциональных способностей мышцы. Так, в условиях космического полета и гипокинезии наблюдалась потеря общего белка [101], и, преимущественно, миофибриллярных белков [111].
Рассмотрим описанные протеолитические системы более детально.
КАЛЬЦИЙ-ЗАВИСИМЫЕ ПУТИ ПРОТЕОЛИЗА
В поисках триггера, запускающего процессы протеолиза, приводящего к атрофии мышц, исследователи обратили внимание на Са2+, являющийся посредником многих сигнальных путей, а затем и на Са2+-зависимые протеазы. Перераспределение Са2+ между цитоплазмой и саркоплазматическим ретикулумом (СР), происходящее при мышечной атрофии, вызванной рядом заболеваний, было обнаружено более 30 лет назад [66, 106, 119]. Позднее было показано, что 14 сут вывешивания задних конечностей крыс приводит к значительному усилению индуцированного кофеином выхода Са2+ из СР камбаловидной мышцы [103], однако авторы не показали, происходит ли изменение концентрации кальция в миоплазме мышечных волокон. В 2001 г. Ингалс [46] показал, что накопление Са2+ в миоплазме волокон камбаловидной мышцы наблюдается уже на 3 сут функциональной разгрузки у крыс. Основными каналами, по которым кальций способен поступать в цитоплазму мышечного волокна являются чувствительные к деполяризации дигидропиридиновые каналы или рецепторы (специфически блокируемые ди-гидропиридином Са2+ каналы Х-типа, ДГПР), а также рианодиновые рецепторы [64]. Первые локализуются в поперечных трубочках Г-системы мышечного волокна и активируются при деполяризации мембраны волокна; при этом, перенос ионов кальция происходит без участия энергии АТФ или других энергетических фосфатов. ДГПР не ингибируются повышением внутриклеточной концентрации Са2+. В нашей лаборатории было показано, что применение специфического бло-катора ДГПР, нифедипина, на фоне вывешивания задних конечностей, приводит к значительному снижению концентрации ионов кальция в волокне при гравитационной разгрузке [5]. Поскольку ДГПР - потенциал-зависимые структуры, изменение их Са2+-транспортирующей активности может быть связано со снижением электрохимического потенциала на мембране мышечных волокон при разгрузке. Действительно, мембранный потенциал волокон камбаловидной мышцы крыс в условиях функциональной разгрузки снижается [3, 82]. В то же время, у животных, вывешенных в течение 3 сут по стандартной методике, мембранный потенциал снижается на 6 мВ [3]. Однако снижения потенциала на 10% вряд ли достаточно для активации каналов, поэтому вопрос о возможной зависимости накопления ионов кальция в мышечном волокне от степени его докритической деполяризации требует дальнейшего изучения.
В накоплении Са2+ участвуют также рианоди-новые рецепторы I типа (ЯУЯ), в мембране терминальных цистерн в непосредственной близости к ДГПР. Эффективность этих каналов существенно превышает активность работы ДГПР. Их основная функция - быстрый ввод Са2+ в цитозоль, где ионы взаимодействуют с тропонином С, запуская механизм сокращения волокна. Известно, что ЯУЯ и ДГПР связаны между собой как пространственно в Г-системе волокна, так и функционально, при этом показано, что активация ДГПР приводит к активации ЯУЯ [82]. В то же время, логично предположить, что избыточный Са2+, поступающий в миоплазму волокон, будет активировать Са2+-зависимые протеолитические процессы. Показано, что активаторы транспорта Са2+ усиливают протеолиз [112]. Тогда как, дант-ролен, специфический ингибитор выхода Са2+ из СР, снижает уровень протеолиза [23]. Однако локализация Са2+-зависимой протеолитической активности неясна; есть данные, как подтверждающие [85], так и опровергающие ее лизосомную локализацию [112]. В настоящее время считается, что Са2+ может опосредованно активировать и лизосомные протеазы, как катепсин В [85], так и нелизосомные, локализующиеся в цитозоле мышечных волокон [125].
При повышении концентрации Са2+ в мышечных волокнах кальпаины, цистеиновые Са2+-за-висимые протеазы, высокогомологичные у беспозвоночных, позвоночных и грибов [32, 99]. Они делятся на 2 группы по своей чувствительности к Са2+, ц- и да-кальпаины (или кальпаин 1 и кальпа-ин 2, соответственно). ц-Кальпаины активируются микромолярными, а да-кальпаины - миллимо-лярными концентрациями кальция. Кроме того, в мышцах содержится специфичный кальпаин 3 (или р94), по своей структуре схожий и с ц- и с да-кальпаинами. р94 также является Са2+-зависи-мой протеазой, что было доказано лишь в 2006 г. [29]. Активация кальпаинов, сопряженная с перераспределением протеаз из цито плазматической фракции в мембранну
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.