miogenesi - Myogenesis
La miogenesi è la formazione del tessuto muscolare scheletrico , in particolare durante lo sviluppo embrionale .
Le fibre muscolari si formano generalmente attraverso la fusione di mioblasti precursori in fibre multinucleate chiamate miotubi . Nel primo sviluppo di un embrione , i mioblasti possono proliferare o differenziarsi in un miotubo. Ciò che controlla questa scelta in vivo è generalmente poco chiaro. Se inseriti in una coltura cellulare, la maggior parte dei mioblasti prolifererà se nel mezzo che circonda le cellule è presente una quantità sufficiente di fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) o un altro fattore di crescita. Quando il fattore di crescita si esaurisce, i mioblasti cessano la divisione e vanno incontro a differenziazione terminale in miotubi. La differenziazione dei mioblasti procede per gradi. La prima fase, prevede l'uscita dal ciclo cellulare e l'inizio dell'espressione di alcuni geni.
La seconda fase di differenziazione prevede l'allineamento dei mioblasti tra loro. Gli studi hanno dimostrato che anche i mioblasti di ratto e pulcino possono riconoscersi e allinearsi tra loro, suggerendo una conservazione evolutiva dei meccanismi coinvolti.
Il terzo stadio è l'effettiva fusione cellulare stessa. In questa fase, la presenza di ioni calcio è fondamentale. La fusione nell'uomo è aiutata da una serie di metalloproteinasi codificate dal gene ADAM12 e da una varietà di altre proteine. La fusione comporta il reclutamento di actina nella membrana plasmatica , seguita da una stretta apposizione e dalla creazione di un poro che successivamente si allarga rapidamente.
Nuovi geni e i loro prodotti proteici che vengono espressi durante il processo sono oggetto di investigazioni attive in molti laboratori. Loro includono:
- Fattori potenziatori dei miociti (MEF), che promuovono la miogenesi.
- Il fattore di risposta del siero (SRF) svolge un ruolo centrale durante la miogenesi, essendo richiesto per l'espressione dei geni dell'alfa-actina striata. L'espressione dell'alfa-actina scheletrica è anche regolata dal recettore degli androgeni ; gli steroidi possono quindi regolare la miogenesi.
- Fattori regolatori miogenici (MRF): MyoD, Myf5, Myf6 e Myogenin.
Panoramica
Ci sono un certo numero di fasi (elencate di seguito) dello sviluppo muscolare, o miogenesi. Ad ogni stadio sono associati vari fattori genetici la cui mancanza si tradurrà in difetti muscolari.
Fasi
| Palcoscenico | Fattori genetici associati |
|---|---|
| Delaminazione | PAX3 , c-Met |
| Migrazione | c-met/ HGF , LBX1 |
| Proliferazione | PAX3, c-Met, Mox2, MSX1 , Six1/4, Myf5 , MyoD |
| Determinazione | Myf5 e MyoD |
| Differenziazione | Miogenina , MCF2 , Six1/4, MyoD, Myf6 |
| Formazione muscolare specifica | Lbx1, Meox2 |
| Celle Satellitari | PAX7 |
Delaminazione
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Fattori genetici associati: le
mutazioni di PAX3 e c-Met
in PAX3 possono causare un fallimento nell'espressione di c-Met. Tale mutazione comporterebbe una mancanza di migrazione laterale.
PAX3 media la trascrizione di c-Met ed è responsabile dell'attivazione dell'espressione di MyoD: una delle funzioni di MyoD è promuovere la capacità rigenerativa delle cellule satellite (descritta di seguito). PAX3 è generalmente espresso ai massimi livelli durante lo sviluppo embrionale ed è espresso in misura minore durante le fasi fetali; è espresso nelle cellule ipassiali in migrazione e nelle cellule del dermomiotomo, ma non è espresso affatto durante lo sviluppo del muscolo facciale . Le mutazioni in Pax3 possono causare una serie di complicazioni tra cui la sindrome di Waardenburg I e III e la sindrome craniofacciale-sordità-mano . La sindrome di Waardenburg è più spesso associata a disturbi congeniti che coinvolgono il tratto intestinale e la colonna vertebrale, un'elevazione della scapola, tra gli altri sintomi. Ogni fase ha vari fattori genetici associati senza i quali si tradurrà in difetti muscolari.
Migrazione
Fattori genetici associati: c-Met / HGF e LBX1
Le mutazioni in questi fattori genetici causano una mancanza di migrazione.
LBX1 è responsabile dello sviluppo e dell'organizzazione dei muscoli dell'arto anteriore dorsale e del movimento dei muscoli dorsali nell'arto dopo la delaminazione . Senza LBX1, i muscoli degli arti non si formeranno correttamente; studi hanno dimostrato che i muscoli degli arti posteriori sono gravemente colpiti da questa delezione mentre solo i muscoli flessori si formano nei muscoli degli arti anteriori a causa della migrazione dei muscoli ventrali.
c-Met è un recettore della tirosin-chinasi necessario per la sopravvivenza e la proliferazione dei mioblasti in migrazione. Una mancanza di c-Met interrompe la miogenesi secondaria e, come in LBX1, impedisce la formazione della muscolatura degli arti. È chiaro che c-Met svolge un ruolo importante nella delaminazione e nella proliferazione oltre che nella migrazione. PAX3 è necessario per la trascrizione di c-Met.
Proliferazione
Fattori genetici associati: PAX3 , c-Met , Mox2 , MSX1 , Six, Myf5 e MyoD
Mox2 (noto anche come MEOX-2) svolge un ruolo importante nell'induzione del mesoderma e nella specificazione regionale . La compromissione della funzione di Mox2 impedirà la proliferazione dei precursori miogenici e causerà un pattern anormale dei muscoli degli arti. In particolare, gli studi hanno dimostrato che le dimensioni degli arti posteriori sono gravemente ridotte, mentre i muscoli specifici degli arti anteriori non si formano.
Myf5 è necessario per una corretta proliferazione dei mioblasti. Gli studi hanno dimostrato che lo sviluppo muscolare dei topi nelle regioni intercostali e paraspinali può essere ritardato inattivando Myf-5. Myf5 è considerato il primo gene del fattore regolatorio espresso nella miogenesi. Se Myf-5 e MyoD sono entrambi inattivati, ci sarà una completa assenza di muscolo scheletrico. Queste conseguenze rivelano ulteriormente la complessità della miogenesi e l'importanza di ciascun fattore genetico nel corretto sviluppo muscolare.
Determinazione
Fattori genetici associati: Myf5 e MyoD
Una delle fasi più importanti nella determinazione della miogenesi richiede che sia Myf5 che MyoD funzionino correttamente affinché le cellule miogeniche progrediscano normalmente. Le mutazioni in entrambi i fattori genetici associati indurranno le cellule ad adottare fenotipi non muscolari.
Come affermato in precedenza, la combinazione di Myf5 e MyoD è cruciale per il successo della miogenesi. Sia MyoD che Myf5 sono membri della famiglia dei fattori di trascrizione delle proteine miogeniche bHLH (basic helix-loop-helix). Le cellule che producono fattori di trascrizione bHLH miogenici (inclusi MyoD o Myf5) sono impegnate nello sviluppo come cellula muscolare. Di conseguenza, la delezione simultanea di Myf5 e MyoD si traduce anche in una completa mancanza di formazione del muscolo scheletrico . La ricerca ha dimostrato che MyoD attiva direttamente il proprio gene; ciò significa che la proteina prodotta si lega al gene myoD e continua un ciclo di produzione della proteina MyoD. Nel frattempo, l'espressione di Myf5 è regolata da Sonic hedgehog , Wnt1 e MyoD stesso. Notando il ruolo di MyoD nella regolazione di Myf5, diventa chiara l'interconnessione cruciale dei due fattori genetici.
Differenziazione
Fattori genetici associati: Myogenin , Mcf2 , Six, MyoD e Myf6
Le mutazioni in questi fattori genetici associati impediranno ai miociti di avanzare e maturare.
La miogenina (nota anche come Myf4) è necessaria per la fusione delle cellule precursori miogeniche con fibre nuove o già esistenti. In generale, la miogenina è associata all'amplificazione dell'espressione di geni che sono già espressi nell'organismo. L'eliminazione della miogenina determina una perdita quasi completa di fibre muscolari differenziate e una grave perdita di massa muscolare scheletrica nella parete laterale/ventrale del corpo.
Myf-6 (noto anche come MRF4 o Herculin) è importante per la differenziazione dei miotubi ed è specifico del muscolo scheletrico. Le mutazioni in Myf-6 possono provocare disturbi tra cui la miopatia centronucleare e la distrofia muscolare di Becker .
Formazione muscolare specifica
Fattori genetici associati: LBX1 e Mox2
Nella formazione muscolare specifica, le mutazioni nei fattori genetici associati iniziano a interessare regioni muscolari specifiche. A causa della sua grande responsabilità nel movimento dei muscoli dorsali nell'arto in seguito a delaminazione, mutazione o delezione di Lbx1 provoca difetti nei muscoli estensori e degli arti posteriori. Come affermato nella sezione Proliferazione, la delezione o la mutazione di Mox2 causa un pattern anormale dei muscoli degli arti. Le conseguenze di questo modello anomalo includono una grave riduzione delle dimensioni degli arti posteriori e la completa assenza dei muscoli degli arti anteriori.
Cellule satellitari
Fattori genetici associati: le
mutazioni di PAX7 in Pax7 prevengono la formazione di cellule satelliti e, a loro volta, prevengono la crescita muscolare postnatale.
Le cellule satellite sono descritte come mioblasti quiescenti e sarcolemma delle fibre muscolari vicine . Sono fondamentali per la riparazione del muscolo, ma hanno una capacità di replicazione molto limitata. Attivate da stimoli come lesioni o carichi meccanici elevati, le cellule satelliti sono necessarie per la rigenerazione muscolare negli organismi adulti. Inoltre, le cellule satellite hanno la capacità di differenziarsi anche in ossa o grasso. In questo modo, le cellule satelliti hanno un ruolo importante non solo nello sviluppo muscolare, ma nel mantenimento del muscolo fino all'età adulta.
Muscolo scheletrico
Durante l' embriogenesi , il dermomiotomo e/o il miotomo nei somiti contengono le cellule progenitrici miogeniche che evolveranno nel potenziale muscolo scheletrico. La determinazione di dermomiotomo e miotomo è regolata da una rete di regolazione genica che include un membro della famiglia T-box , tbx6, ripply1 e mesp-ba. La miogenesi scheletrica dipende dalla rigorosa regolazione di vari sottoinsiemi di geni al fine di differenziare i progenitori miogenici in miofibre. Fattori di trascrizione di base elica-ansa-elica (bHLH), MyoD, Myf5, miogenina e MRF4 sono fondamentali per la sua formazione. MyoD e Myf5 consentono la differenziazione dei progenitori miogenici in mioblasti, seguiti dalla miogenina, che differenzia il mioblasto in miotubi. MRF4 è importante per bloccare la trascrizione dei promotori muscolo-specifici, consentendo ai progenitori del muscolo scheletrico di crescere e proliferare prima di differenziarsi.
Ci sono una serie di eventi che si verificano per spingere la specificazione delle cellule muscolari nel somite. Sia per la regione laterale che per quella mediale del somite, i fattori paracrini inducono le cellule del miotomo a produrre la proteina MyoD, inducendole così a svilupparsi come cellule muscolari. Un fattore di trascrizione ( TCF4 ) dei fibroblasti del tessuto connettivo è coinvolto nella regolazione della miogenesi. Nello specifico regola il tipo di fibra muscolare sviluppata e le sue maturazioni. Bassi livelli di TCF4 promuovono la miogenesi sia lenta che veloce, promuovendo nel complesso la maturazione del tipo di fibra muscolare. In tal modo questo mostra la stretta relazione del muscolo con il tessuto connettivo durante lo sviluppo embrionale.
La regolazione della differenziazione miogenica è controllata da due vie: la via fosfatidilinositolo 3-chinasi /Akt e la via Notch /Hes, che lavorano in modo collaborativo per sopprimere la trascrizione di MyoD. La sottofamiglia O delle proteine forkhead ( FOXO ) gioca un ruolo critico nella regolazione del differenziamento miogenico poiché stabilizzano il legame Notch/Hes. La ricerca ha dimostrato che il knockout di FOXO1 nei topi aumenta l'espressione di MyoD, alterando la distribuzione delle fibre a contrazione rapida e lenta.
Fusione muscolare
Le fibre muscolari primarie originano dai mioblasti primari e tendono a svilupparsi in fibre muscolari lente. Le fibre muscolari secondarie si formano quindi attorno alle fibre primarie vicino al momento dell'innervazione. Queste fibre muscolari si formano da mioblasti secondari e di solito si sviluppano come fibre muscolari veloci. Infine, le fibre muscolari che si formano in seguito derivano dalle cellule satelliti.
Due geni significativi nella fusione muscolare sono Mef2 e il fattore di trascrizione twist . Gli studi hanno dimostrato che i knockout per Mef2C nei topi portano a difetti muscolari nello sviluppo della muscolatura cardiaca e liscia, in particolare nella fusione. Il gene twist gioca un ruolo nella differenziazione muscolare.
Il gene SIX1 svolge un ruolo critico nella differenziazione del muscolo ipoassiale nella miogenesi. Nei topi privi di questo gene, una grave ipoplasia muscolare ha colpito la maggior parte dei muscoli del corpo, in particolare i muscoli ipoassiali.
Sintesi proteica ed eterogeneità dell'actina
Ci sono 3 tipi di proteine prodotte durante la miogenesi. Le proteine di classe A sono le più abbondanti e vengono sintetizzate continuamente durante la miogenesi. Le proteine di classe B sono proteine che iniziano durante la miogenesi e continuano durante lo sviluppo. Le proteine di classe C sono quelle sintetizzate in momenti specifici durante lo sviluppo. Durante la miogenesi sono state identificate anche 3 diverse forme di actina .
Sim2 , un fattore di trascrizione BHLH-Pas , inibisce la trascrizione mediante repressione attiva e mostra una maggiore espressione nelle masse muscolari degli arti ventrali durante lo sviluppo embrionale di pulcino e topo. Lo fa reprimendo la trascrizione di MyoD legandosi alla regione dell'enhancer e prevenendo la miogenesi prematura.
L' espressione di Delta1 nelle cellule della cresta neurale è necessaria per la differenziazione muscolare dei somiti , attraverso la via di segnalazione Notch . Il guadagno e la perdita di questo ligando nelle cellule della cresta neurale determina una miogenesi ritardata o prematura.
tecniche
Il significato dello splicing alternativo è stato chiarito utilizzando l'analisi microarray dei mioblasti C2C12 differenzianti . 95 eventi di splicing alternativo si verificano durante la differenziazione C2C12 nella miogenesi. Pertanto, nella miogenesi è necessario uno splicing alternativo .
Approccio sistemico
L'approccio sistemico è un metodo utilizzato per studiare la miogenesi, che manipola una serie di tecniche diverse come le tecnologie di screening ad alto rendimento , i saggi basati su cellule a livello di genoma e la bioinformatica , per identificare diversi fattori di un sistema. Questo è stato specificamente utilizzato nello studio dello sviluppo del muscolo scheletrico e nell'identificazione della sua rete regolatoria.
L'approccio ai sistemi che utilizza il sequenziamento ad alto rendimento e l' analisi ChIP-chip è stato essenziale per chiarire i bersagli dei fattori regolatori miogenici come MyoD e miogenina, i loro bersagli correlati e come MyoD agisce per alterare l'epigenoma nei mioblasti e nei miotubi. Ciò ha anche rivelato il significato di PAX3 nella miogenesi e che garantisce la sopravvivenza dei progenitori miogeni.
Questo approccio, utilizzando il test di trasfezione ad alta processività cellulare e l' ibridazione in situ a montaggio intero , è stato utilizzato per identificare il regolatore miogenetico RP58 e il gene di differenziazione del tendine, Mohawk homeobox.