БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
УДК: 611.018.6
КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ГИСТОГЕНЕЗА
СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ
© 2012 г. О. Н. Шевелева, О. В. Паюшина, В. И. Старостин
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 119334 Москва, ул. Вавилова, 26
E-mail: payushina@mail.ru Поступила в редакцию 27.12.2011 г.
Рассмотрены гистогенетические процессы и молекулярные механизмы, лежащие в основе развития и регенерации скелетных мышц. Предложена схема возможной организации гистогенетического ряда скелетных мышц у половозрелых животных. Описаны различные популяции клеток, способных к миогенной дифференцировке in vivo и in vitro — как типичные клеточные источники регенерации мышц (миосателлиты, мышечные стволовые клетки), так и альтернативные (CD133+ клетки, перициты, SP-клетки мышц и костного мозга, мезангиобласты, эмбриональные стволовые и мезен-химные стромальные клетки). Приведены сведения об эктопических миогенных предшественниках, локализованных в немышечных тканях, в том числе собственные данные по обнаружению подобных клеток в зародышевой печени крысы.
Скелетная мускулатура млекопитающих — сложная система, состоящая из отдельных мышц, расположенных в различных частях организма и возникающих в разные периоды эмбриогенеза. Несмотря на то, что к настоящему моменту многое известно о развитии, нормальной структуре, регенерации и патологиях мышц, до сих пор не найдены оптимальные способы лечения таких заболеваний, как мышечные дистрофии. Кроме того, по-прежнему, мало известно о происхождении опухолей, состоящих из мышечных структур разной степени зрелости — рабдомиом и рабдомиос-арком. Широкое распространение заболеваний мышц и малая эффективность их лечения, с одной стороны, и появление новых методов анализа развития тканей и участия стволовых клеток в их регенерации, с другой стороны, привели к росту числа исследований, посвященных развитию мышц in vitro и in vivo, и активному поиску новых источников миогенных клеток.
В настоящее время наиболее распространенными модельными системами для изучения ске-летно-мышечной дифференцировки in vitro являются постоянные клеточные линии, полученные из поперечнополосатых мышц крыс и мышей, такие как L6J1, L8 и С2С12 (Blau, Epstein, 1979; Miller, 1990; Hinterberger et al., 1991). Их использование позволяет исследовать экспрессию генов и белков на разных этапах миогенеза, проводить эксперименты по регенерации мышц и оценке влияния тех или иных факторов на формирование и функционирование миогенных структур. Однако исследования, выполненные на линиях мышечных клеток, не дают представления о процессах миграции миогенных клеток и терминаль-
ной миогенной дифференцировке. По этой причине, несмотря на развитие технологии культивирования и расширение возможностей анализа поведения клеток in vitro, большое значение имеет изучение гистогенеза мышц in vivo. Появление методов ПЦР-анализа и иммуноцитохимии позволило исследовать экспрессию различных генов и белков в нативных органах и тканях, что привело к лучшему пониманию процессов, происходящих при формировании мышц в онтогенезе.
Изучение нормального развития скелетных мышц в эмбриогенезе, а также эктопических мио-генных предшественников, выявленных в различных органах зародыша, имеет важное общебиологическое значение и перспективу практического использования. Задачами данной работы являются анализ как общеизвестных, так и недавно обнаруженных фактов о развитии скелетных мышц в эмбриогенезе, попытка построения гистогенетиче-ского ряда скелетных мышц в пре- и постнатальный периоды развития, а также рассмотрение некоторых результатов собственных исследований.
Происхождение и развитие скелетных мышц в эмбриогенезе. В процессе эмбрионального развития млекопитающих скелетная мускулатура формируется из дорсальной (параксиальной) мезодермы, что было хорошо изучено еще во второй половине прошлого века (Tam, 1981; Packard, Meier, 1983). Показано, что под влиянием сигнальных молекул, исходящих из нервной трубки, хорды, дорсальной эктодермы и латеральной мезодермы, сомиты разделяются на склеротом и дермамиотом (Cossu et al., 1996). Клетки медиальной части дермамиотома расслаиваются и дают начало области миотома, из которой впослед-
ствии образуются эпаксиальные мышцы (мышцы спины). Латеральная часть дермамиотома дает гипаксиальные мышцы, которые формируются из двух клеточных популяций — мигрирующей и немигрирующей. Немигрирующие клетки дают начало вентральным мышцам, из мигрирующих клеток формируется мускулатура конечностей, языка и диафрагмы (Birchmeier, Brohmann, 2000). Выход клеток-предшественников из клеточного цикла и начало экспрессии генов, характерных для миогенной дифференцировки, также происходят в ответ на сигналы, поступающие из близлежащей хорды, нервной трубки и латеральной мезодермы.
Регуляция дифференцировки скелетных мышц осуществляется целым рядом генов, кодирующих транскрипционные факторы. В регуляции миогенеза ключевую роль играют гены семейства Pax, содержащие парный домен — Pax3 и Pax7. Их экспрессия начинается на самых ранних этапах дифференцировки мышечных клеток. Pax3 начинает экспрессироваться раньше Pax7 уже в пресомитной мезодерме, а позднее — во всех клетках сомита. Затем область экспрессии этого гена ограничивается дермамиотомом (Birchmeier, Brohmann, 2000). Его продукт необходим для сегментации сомитов, формирования дермамиото-ма, миграции и пролиферации миогенных клеток, развития мускулатуры конечностей (Birchmeier, Brohmann, 2000). До недавнего времени считалось, что Pax3 экспрессируется только в период эмбрионального развития мышц, однако в последние годы появились данные об обнаружении продукта его экспрессии в передних конечностях и в некоторых вентральных мышцах половозрелых животных. Однако экспрессия Pax3 никогда не наблюдается в клетках, экспрессирующих более поздние маркеры мышечной дифференцировки, такие, как MyoD (Relaix et al., 2006). В отличие от Pax3, экспрессия Pax7 происходит во всех мышцах половозрелых животных. Он не играет существенной роли в эмбриональном миогенезе, но необходим для поддержания пула сателлитных клеток. У Pax7-/- мышей мышцы образуются в полном объеме и их рост в пренатальный период не отличается от роста мышц нормальных мышей, но после рождения мышечная масса у му-тантных мышей резко сокращается, рост нарушается и мышцы атрофируются, что связано с отсутствием функционирующих сателлитных клеток (Kuang et al., 2006). Pax7 традиционно считают маркером этих клеток, недавно появились данные о его экспрессии и в миобластах in vivo и in vitro (Rudnicki et al., 2008).
На более продвинутых стадиях миогенной дифференцировки в регуляции миогенной диф-ференцировки участвуют миогенные регулятор-ные факторы семейства Mrf. Они содержат консервативный ДНК-связывающий домен типа
bHLH (basic helix—loop—helix — основной, устроенный по типу "спираль—петля—спираль"). К этому семейству транскрипционных факторов относят MyoD, Myf5, миогенин и Myf6 (Mrf4, геркулин) (Buskin, Hauschka, 1989; Olson, 1990). На ранних стадиях миогенной дифференцировки в пролиферирующих миобластах экспрессируют-ся Myf5 и MyoD, а в ходе их дальнейшей дифференцировки - Myf6 и миогенин, что определяет поддержание структуры и функциональную активность полностью дифференцированных мышечных волокон. Конститутивная экспрессия любого из перечисленных выше генов семейства Mrf в фибробластах приводит к их дифференци-ровке в миогенном направлении (Braun et al., 1990).
В ходе эмбрионального развития наиболее важную роль в регуляции дифференцировки мышечных предшественников играет Myf5. Во взрослом организме его активация зависит от модификации хроматина, индуцируемой продуктом гена Pax7 (McKinnell et al., 2008). В эмбриональный период развитие гипаксиальных мышц определяется экспрессией гена Myf5, которая, в свою очередь, регулируется фактором Pax3, а при развитии эпаксиальных мышц Pax3, действуя совместно с Myf5 и Myf6, активирует транскрипционный фактор MyoD (Bryson-Richardson, Currie, 2008). Экспрессия Myf5 предшествует экспрессии остальных генов семейства Mrf, он запускает первую волну экспрессии миогенных факторов. Myf5 является первым миогенным фактором, который можно идентифицировать в сомитах еще до образования миотома. Экспрессия Myf5 начинается в клетках сомитов на 8-е сут развития зародыша мыши. Большую роль в активации этого гена играют белки семейства Shh (Sonic hedgehog) и Wntl (Bryson-Richardson, Currie, 2008). На 10-е сут Myf5 присутствует в дифференцированных клетках миотома и начинает появляться в формирующихся конечностях. Вторая волна экспрессии миогенных факторов связана с активацией MyoD (Braun et al., 1994). В двойных мутантах с дефектами в обоих генах Myf5 и MyoD миобласты не формируются, что указывает на основополагающую роль этих миогенных факторов в мышечной диф-ференцировке (Weintraub, 1993). MyoD связывается с промоторами структурных мышечных генов и запускает их экспрессию. С началом экспрессии MyoD и Myf5 клетки окончательно становятся на путь миогенной дифференциров-ки. Такие миогенные клетки называют пролифе-рирующими миобластами. Активирование экспрессии MyoD у 10-суточных зародышей мыши происходит при участии белков Wnt3, Wnt7, Myf5 и Pax3 (Olson, 1990; Bryson-Richardson, Currie, 2008). Несмотря на то, что за длительное время, прошедшее с открытия MyoD, его строение и функция были достаточно хорошо изучены, дан-
ные последних лет говорят о том, что его участие в процессах, происходящих в течение миогенеза и при развитии организма в целом, остается не до конца исследованным. Например, в последние годы была обнаружена способность MyoD регулировать не только миогенную, но и остеогенную дифференцировку. По данным Хьюитта с соавт. (Hewitt et al., 2008) MyoD участвует в дифферен-цировке остеобластов, связываясь с промотором остеогенного транскрипционного фактора — остерикса.
Другие транскрипционные факторы семейства Mrf—Mrf4 и миогенин — необходимы для активации и сохранения экспрессии структурных мышечных генов (Olson, 1990). С началом их экспрессии прекращается активная пролиферация миобластов и начинается их с
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.