Белок MyoD у человека: роль в дифференцировке мышц.

Введение

Белок млекопитающих, обнаруженный у Homo sapiens. MyoD, также известный как белок, определяющий миобласты 1, — это белок, присутствующий у животных и играющий ключевую роль в регуляции дифференцировки мышц. MyoD, который был открыт в лаборатории Гарольда М. Вайнтрауба, принадлежит к семейству белков, известных как миогенные регуляторные факторы (MRF). Эти bHLH (basic helix-loop-helix) факторы транскрипции действуют последовательно в процессе миогенной дифференцировки. Члены семейства MRF у позвоночных включают MyoD1, Myf5, миогенин и MRF4 (Myf6). У беспозвоночных животных обычно обнаруживается один белок MyoD. MyoD является одним из самых ранних маркеров миогенной детерминации. MyoD экспрессируется на крайне низком и практически неопределяемом уровне в покоящихся спутниковых клетках, но его экспрессия активируется в ответ на физические упражнения или повреждение мышечной ткани. Влияние MyoD на спутниковые клетки зависит от дозы: высокая экспрессия MyoD подавляет обновление клеток, способствует терминальной дифференцировке и может индуцировать апоптоз. Хотя MyoD отмечает приверженность миобластов, развитие мышц не нарушается значительно у мышиных мутантов, у которых отсутствует ген MyoD. Это, вероятно, связано с функциональной избыточностью Myf5 и/или Mrf4. Тем не менее, комбинация MyoD и Myf5 жизненно важна для успешного миогенеза.

История

MyoD был клонирован с использованием функционального анализа на предмет формирования мышц, о котором было сообщено в журнале Cell в 1987 году Дэвисом, Вайнтраубом и Лассаром. Впервые он был описан как ядерный фосфопротеин в 1988 году Тапскоттом, Дэвисом, Тайером, Ченгом, Вайнтраубом и Лассаром в журнале Science. Исследователи экспрессировали комплементарную ДНК (cDNA) мышиного белка MyoD в различных клеточных линиях (фибробластах и адипобластах) и обнаружили, что MyoD превращает их в миогенные клетки. В следующем году та же исследовательская группа провела ряд тестов для определения как структуры, так и функции белка, подтвердив свое первоначальное предположение о том, что активный центр белка состоит из спирали-петли-спирали (в настоящее время называемой основной спиралью-петлей-спиралью) для димеризации, а основной участок, расположенный выше по течению от этой области bHLH, облегчает связывание ДНК только после того, как белок образует димер. С тех пор MyoD остается активной областью исследований, поскольку о многих аспектах его функции до сих пор известно относительно мало.

Функция

Функция MyoD в развитии заключается в направлении клеток мезодермы к скелетной миобластной линии и последующей регуляции этого состояния. MyoD также может участвовать в восстановлении мышц. Уровни мРНК MyoD также повышаются в стареющей скелетной мышце. Одно из основных действий MyoD – выведение клеток из клеточного цикла (остановка пролиферации для достижения терминальной остановки клеточного цикла в дифференцированных миоцитах) посредством усиления транскрипции p21 и миогенина. MyoD ингибируется циклинозависимыми киназами (CDK). CDK, в свою очередь, ингибируются p21. Таким образом, MyoD усиливает собственную активность в клетке по принципу положительной обратной связи. Поддержание устойчивой экспрессии MyoD необходимо для сохранения экспрессии генов, связанных с мышцами. MyoD также является важным фактором, определяющим фенотип мышечных волокон быстрого сокращения (типы IIA, IIX и IIB).

Механизмы

MyoD является фактором транскрипции и может также направлять ремоделирование хроматина путем связывания с мотивом ДНК, известным как E-box. Известно, что MyoD взаимодействует со сотнями промоторов мускульных генов и способствует пролиферации миобластов. Хотя механизмы действия MyoD изучены не полностью, в настоящее время считается, что он функционирует как ключевой регулятор миогенеза, действуя как переключатель включения/выключения посредством фосфорилирования KAP1 (KRAB [Krüppel like associated box] associated protein 1). KAP1 локализуется вблизи мускульных генов в миобластах вместе с MyoD и Mef2 (фактором усиления транскрипции миоцитов). Здесь он служит платформой для рекрутирования коактиваторов p300 и LSD1, а также нескольких коррепрессоров, включая G9a и гистон-дезацетилазу HDAC1. Результатом рекрутирования коактиваторов/коррепрессоров является подавление стимулирующих участков в мускульных генах. Когда киназа MSK1 фосфорилирует KAP1, коррепрессоры, ранее связанные с платформой, высвобождаются, что позволяет MyoD и Mef2 активировать транскрипцию. После активации "главного регулятора" MyoD, SETDB1 необходим для поддержания экспрессии MyoD в клетке. Setdb1 необходим для поддержания экспрессии как MyoD, так и генов, специфичных для мышечной ткани, поскольку снижение экспрессии Setdb1 приводит к серьезной задержке дифференцировки и определения миобластов. В миобластах с дефицитом Setdb1, обработанных экзогенным MyoD, дифференцировка миобластов успешно восстанавливается. Согласно одной из моделей действия Setdb1 на MyoD, Setdb1 подавляет ингибитор MyoD. Этот неустановленный ингибитор, вероятно, конкурирует с MyoD во время типичной клеточной пролиферации. Подтверждением этой модели является то, что снижение уровня Setdb1 приводит к прямому ингибированию дифференцировки миобластов, что может быть вызвано высвобождением неизвестного ингибитора MyoD. Также было показано, что MyoD функционирует кооперативно с геном-супрессором опухолей, ретинобластомой (pRb), вызывая остановку клеточного цикла в терминально дифференцированных миобластах. Это достигается путем регуляции циклина D1. Остановка клеточного цикла (которая у миобластов указывает на завершение миогенеза) зависит от непрерывного и стабильного подавления циклина D1. И MyoD, и pRb необходимы для подавления циклина D1, но они действуют не напрямую на циклин D1, а на Fra 1, который экспрессируется на ранних стадиях регуляции циклина D1. MyoD и pRb необходимы для подавления Fra 1 (и, следовательно, циклина D1), поскольку ни MyoD, ни pRb по отдельности не способны индуцировать подавление циклина D1 и, следовательно, остановку клеточного цикла. В интронном энхансере Fra 1 были обнаружены два консервативных сайта связывания MyoD. Наблюдается кооперативное действие MyoD и pRb в интронном энхансере Fra 1, которое подавляет энхансер, тем самым подавляя циклин D1 и в конечном итоге приводя к остановке клеточного цикла в терминально дифференцированных миобластах.

MyoD is a transcription factor and can also direct chromatin remodelling through binding to a DNA motif known as the E box. MyoD is known to have binding interactions with hundreds of muscular gene promoters and to permit myoblast proliferation. While not completely understood, MyoD is now thought to function as a major myogenesis controller in an on/off switch association mediated by KAP1 (KRAB [Krüppel like associated box] associated protein 1) phosphorylation. KAP1 is localized at muscle related genes in myoblasts along with both MyoD and Mef2 (a myocyte transcription enhancer factor). Here, it serves as a scaffold and recruits the coactivators p300 and LSD1, in addition to several corepressors which include G9a and the Histone deacetylase HDAC1. The consequence of this coactivator/corepressor recruitment is silenced promoting regions on muscle genes. When the kinase MSK1 phosphorylates KAP1, the corepressors previously bound to the scaffold are released allowing MyoD and Mef2 to activate transcription. Once the "master controller" MyoD has become active, SETDB1 is required to maintain MyoD expression within the cell. Setdb1 appears to be necessary to maintain both MyoD expression and also genes that are specific to muscle tissues because reduction of Setdb1 expression results in a severe delay of myoblast differentiation and determination. In Setdb1 depleted myoblasts that are treated with exogenous MyoD, myoblastic differentiation is successfully restored. In one model of Setdb1 action on MyoD, Setdb1 represses an inhibitor of MyoD. This unidentified inhibitor likely acts competitively against MyoD during typical cellular proliferation. Evidence for this model is that reduction of Setdb1 results in direct inhibition of myoblast differentiation which may be caused by the release of the unknown MyoD inhibitor. MyoD has also been shown to function cooperatively with the tumor suppressor gene, Retinoblastoma (pRb) to cause cell cycle arrest in the terminally differentiated myoblasts. This is done through regulation of the Cyclin, Cyclin D1. Cell cycle arrest (in which myoblasts would indicate the conclusion of myogenesis) is dependent on the continuous and stable repression of the D1 cyclin. Both MyoD and pRb are necessary for the repression of cyclin D1, but rather than acting directly on cyclin D1, they act on Fra 1 which is immediately early of cyclin D1. MyoD and pRb are both necessary for repressing Fra 1 (and thus cyclin D1) as either MyoD or pRb on its own is not sufficient alone to induce cyclin D1 repression and thus cell cycle arrest. In an intronic enhancer of Fra 1 there were two conserved MyoD binding sites discovered. There is cooperative action of MyoD and pRb at the Fra 1 intronic enhancer that suppresses the enhancer, therefore suppressing cyclin D1 and ultimately resulting in cell cycle arrest for terminally differentiated myoblasts.

Сигнализация WNT может повлиять на MyoD

Было показано, что Wnt-сигнализация из соседних тканей индуцирует экспрессию Pax3 и Pax7 в клетках сомитов, получающих эти Wnt-сигналы, в дополнение к миогенным регуляторным факторам, включая Myf5 и MyoD. В частности, Wnt3a может непосредственно индуцировать экспрессию MyoD посредством взаимодействия цис-элементов с дистальным энхансером и Wnt-ответным элементом. Wnt1 из спинной нервной трубки и Wnt6/Wnt7a из поверхностной эктодермы также были связаны с усилением миогенеза в сомите; последние сигналы, вероятно, действуют преимущественно через MyoD. В типичных взрослых мышцах в состоянии покоя (при отсутствии физиологического стресса) экспрессируются специфические белки семейства Wnt: Wnt5a, Wnt5b, Wnt7a и Wnt4. При повреждении мышцы (и, следовательно, необходимости регенерации) экспрессия Wnt5a, Wnt5b и Wnt7a повышается. По мере завершения восстановления мышцы увеличивается экспрессия Wnt7b и Wnt3a. Эта закономерность экспрессии Wnt при восстановлении мышечных клеток индуцирует дифференцировку клеток-предшественников, что приводит к уменьшению количества доступных спутниковых клеток. Wnt играет ключевую роль в регуляции спутниковых клеток, старении скелетной мышцы и ее регенерации. Известно, что Wnt1 и Wnt7a активируют экспрессию Myf5 и MyoD. Wnt4, Wnt5 и Wnt6 способствуют увеличению экспрессии обоих регуляторных факторов, но в меньшей степени. Кроме того, MyoD повышает экспрессию Wnt3a во время дифференцировки миобластов. Остается невыясненным, активируется ли MyoD Wnt посредством прямой цис-регуляции или через косвенные физиологические пути.

Коактиваторы и репрессоры

IFRD1 является положительным кофактором MyoD, поскольку он взаимодействует с MyoD, индуцируя транскрипционную активность MEF2C (путем вытеснения HDAC4 от MEF2C); более того, IFRD1 также подавляет транскрипционную активность NF κB, которая, как известно, ингибирует накопление мРНК MyoD. NFATc1 – это фактор транскрипции, регулирующий состав типов волокон, а переход от быстрых к медленным мышечным сокращениям, возникающий в результате аэробных упражнений, требует экспрессии NFATc1. Экспрессия MyoD является ключевым фактором транскрипции в волокнах с быстрыми сокращениями, которая ингибируется NFATc1 в окислительных типах волокон. NFATc1 ингибирует MyoD посредством физического взаимодействия с N-концевым доменом активации MyoD, что приводит к подавлению рекрутирования необходимого коактиватора транскрипции p300. NFATc1 физически нарушает взаимодействие между MyoD и p300. Это определяет молекулярный механизм, посредством которого типы волокон изменяются in vivo при физических упражнениях, при этом NFATc1 и MyoD выполняют противоположные функции. NFATc1 контролирует этот баланс, физически ингибируя MyoD в мышечных волокнах с медленными сокращениями. Гистон-дезацетилаза p300 функционирует совместно с MyoD во взаимодействии, необходимом для генерации миотобусов из фибробластов, опосредованном MyoD. Рекрутирование p300 является лимитирующей стадией в преобразовании фибробластов в миотобусы. Помимо p300, MyoD также рекрутирует Set7, H3K4me1, H3K27ac и RNAP II к энхансеру, с которым он связывается, что позволяет активировать мышечный ген, специфичный для условий и установленный рекрутированием MyoD. Однако эндогенный p300 необходим для функционирования MyoD, выступая в качестве важного коактиватора. MyoD ассоциативно связывается с энхансерной областью в сочетании с "потенциальным пионерным фактором", который помогает установить и поддерживать оба белка в определенной и неактивной конформации. После удаления или инактивации белка-заполнителя, связанного с энхансером, допускается рекрутирование дополнительной группы факторов транскрипции, которые помогают положительно регулировать активность энхансера, что приводит к переходу комплекса энхансера фактора транскрипции MyoD в транскрипционно активное состояние.

IFRD1 is a positive cofactor of MyoD, as it cooperates with MyoD at inducing the transcriptional activity of MEF2C (by displacing HDAC4 from MEF2C); moreover IFRD1 also represses the transcriptional activity of NF κB, which is known to inhibit MyoD mRNA accumulation. NFATc1 is a transcription factor that regulates composition of fiber type and the fast to slow twitch transition resulting from aerobic exercise requires the expression of NFATc1. MyoD expression is a key transcription factor in fast twitch fibers which is inhibited by NFATc1 in oxidative fiber types. NFATc1 works to inhibit MyoD via a physical interaction with the MyoD N terminal activation domain resulting in inhibited recruitment of the necessary transcriptional coactivator p300. NFATc1 physically disrupts the interaction between MyoD and p300. This establishes the molecular mechanism by which fiber types transition in vivo through exercise with opposing roles for NFATc1 and MyoD. NFATc1 controls this balance by physical inhibition of MyoD in slow twitch muscle fiber types. The histone deacetyltransferase p300 functions with MyoD in an interaction that is essential for the myotube generation from fibroblasts that is mediated by MyoD. Recruitment of p300 is the rate limiting process in the conversion of fibroblasts to myotubes. In addition to p300, MyoD is also known to recruit Set7, H3K4me1, H3K27ac, and RNAP II to the enhancer that is bound with and this allows for the activation of muscle gene that is condition specific and established by MyoD recruitment. Endogenous p300 though, is necessary for MyoD functioning by acting as an essential coactivator. MyoD associatively binds to the enhancer region in conjunction with a placeholding "putative pioneer factor" which helps to establish and maintain a both of them in a specific and inactive conformation. Upon the removal or inactivation on the placeholder protein bound to the enhancer, the recruitment of the additional group of transcription factors that help to positively regulate enhancer activity is permitted and this results in the MyoD transcription factor enhancer complex to assume a transcriptionally active state.