Клетки-спутники: предшественники мышечных волокон.

Введение

Клетки-предшественники клеток скелетной мускулатуры, клетки-прородители глии.

Миосателлитные клетки, также известные как спутниковые клетки, мышечные стволовые клетки или MuSC, представляют собой небольшие мультипотентные клетки с очень малым количеством цитоплазмы, обнаруженные в зрелой мышце. Спутниковые клетки являются предшественниками клеток скелетной мускулатуры, способными давать начало другим спутниковым клеткам или дифференцированным клеткам скелетной мускулатуры. Они обладают потенциалом для обеспечения дополнительных миоядер родительским мышечным волокнам или возвращения в состояние покоя. В частности, при активации спутниковые клетки могут вновь войти в клеточный цикл для пролиферации и дифференцировки в миобласты. Миосателлитные клетки располагаются между базальной мембраной и сарколеммой мышечных волокон и могут находиться в углублениях, параллельных или поперечных продольной оси волокна. Их распределение по волокну может значительно варьироваться. Непролиферирующие, покоящиеся миосателлитные клетки, примыкающие к скелетным мышцам в состоянии покоя, можно идентифицировать по их характерному расположению между сарколеммой и базальной пластинкой, высокому соотношению ядерного и цитоплазматического объема, небольшому количеству органелл (например, рибосом, эндоплазматической сети, митохондрий, комплексов Гольджи), небольшому размеру ядра и большому количеству ядерного гетерохроматина по отношению к мионуклеусам. С другой стороны, активированные спутниковые клетки имеют увеличенное количество кавеол, цитоплазматических органелл и сниженный уровень гетерохроматина. Спутниковые клетки в мышцах головы имеют уникальную программу развития и являются Pax3-отрицательными. Кроме того, как покоящиеся, так и активированные спутниковые клетки человека могут быть идентифицированы с помощью мембран-связанной молекулы клеточной адгезии нервных клеток (N-CAM/CD56/Leu 19), гликопротеина клеточной поверхности. Ядерный фактор миоцитов (MNF) и c-met протоонкоген (рецептор фактора роста гепатоцитов (HGF)) используются в качестве маркеров реже. Активированные спутниковые клетки сложно идентифицировать, особенно поскольку их маркеры меняются в зависимости от степени активации; например, большая активация приводит к прогрессивной потере экспрессии Pax7 при переходе в пролиферативную стадию. Однако Pax7 экспрессируется в значительной степени после дифференцировки спутниковых клеток. Большая активация также приводит к увеличению экспрессии миогенных факторов транскрипции с основной спиральной петлей MyoD, миогенина и MRF4 – все они отвечают за индукцию генов, специфичных для миоцитов. Тестирование на HGF также используется для выявления активных спутниковых клеток и формирования новых миофибрилл посредством процесса, аналогичного развитию мышц плода. После нескольких делений клеток спутниковые клетки начинают сливаться с поврежденными миотобусами и подвергаются дальнейшей дифференцировке и созреванию, с периферическими ядрами, что является характерной чертой.

Myosatellite cells, also known as satellite cells, muscle stem cells or MuSCs, are small multipotent cells with very little cytoplasm found in mature muscle. Satellite cells are precursors to skeletal muscle cells, able to give rise to satellite cells or differentiated skeletal muscle cells. They have the potential to provide additional myonuclei to their parent muscle fiber, or return to a quiescent state. More specifically, upon activation, satellite cells can re enter the cell cycle to proliferate and differentiate into myoblasts. Myosatellite cells are located between the basement membrane and the sarcolemma of muscle fibers, and can lie in grooves either parallel or transversely to the longitudinal axis of the fibre. Their distribution across the fibre can vary significantly. Non proliferative, quiescent myosatellite cells, which adjoin resting skeletal muscles, can be identified by their distinct location between sarcolemma and basal lamina, a high nuclear to cytoplasmic volume ratio, few organelles (e. g. ribosomes, endoplasmic reticulum, mitochondria, golgi complexes), small nuclear size, and a large quantity of nuclear heterochromatin relative to myonuclei. On the other hand, activated satellite cells have an increased number of caveolae, cytoplasmic organelles, and decreased levels of heterochromatin. Satellite cells in the head musculature have a unique developmental program, and are Pax3 negative. Moreover, both quiescent and activated human satellite cells can be identified by the membrane bound neural cell adhesion molecule (N CAM/CD56/Leu 19), a cell surface glycoprotein. Myocyte nuclear factor (MNF), and c met proto oncogene (receptor for hepatocyte growth factor (HGF)) are less commonly used markers. Activated satellite cells prove problematic to identify, especially as their markers change with the degree of activation; for example, greater activation results in the progressive loss of Pax7 expression as they enter the proliferative stage. However, Pax7 is expressed prominently after satellite cell differentiation. Greater activation also results in increased expression of myogenic basic helix loop helix transcription factors MyoD, myogenin, and MRF4 – all responsible for the induction of myocyte specific genes. HGF testing is also used to identify active satellite cells. and form new myofibers through a process similar to fetal muscle development. After several cell divisions, the satellite cells begin to fuse with the damaged myotubes and undergo further differentiations and maturation, with peripheral nuclei as in hallmark.

Эффекты физических упражнений

Активация спутниковых клеток измеряется степенью пролиферации и дифференцировки. Обычно содержание спутниковых клеток выражается на одно мышечное волокно или в процентах от общего количества ядер, включая ядра спутниковых клеток и миоядра. Хотя адаптивная реакция на физические упражнения во многом зависит от индивидуальных факторов, таких как генетика, возраст, диета, акклиматизация к нагрузкам и объем тренировок, исследования на людях выявили общие закономерности. Показано, что интенсивные упражнения обычно повышают продукцию IGF-1, хотя индивидуальные реакции значительно различаются. В частности, IGF-1 существует в двух изоформах: механическом факторе роста (MGF) и IGF-IEa. Первая изоформа индуцирует активацию и пролиферацию, а вторая – дифференцировку пролиферирующих спутниковых клеток. Эти результаты позволяют предположить, что умеренные тренировки на выносливость могут быть полезны для противодействия снижению количества спутниковых клеток, связанному с возрастом. Другими ультраструктурными признаками активированных спутниковых клеток являются повышенная концентрация аппарата Гольджи и пиноцитозных везикул.

Активация спутниковых клеток и регенерация мышц

Спутниковые клетки играют решающую роль в регенерации мышц благодаря их способности к пролиферации, дифференцировке и самообновлению. До серьезного повреждения мышцы спутниковые клетки находятся в состоянии покоя. Небольшая пролиферация может происходить при незначительных травмах, но для восстановления после серьезных повреждений требуется активация большего числа спутниковых клеток. Активация спутниковых клеток из состояния покоя контролируется сигналами от мышечной ниши. Эта сигнализация индуцирует воспалительный ответ в мышечной ткани. Поведение спутниковых клеток – это высокорегулируемый процесс, обеспечивающий баланс между состояниями покоя и активности. Во время травмы спутниковые клетки в миофибрах получают сигналы к пролиферации от белков в поврежденной скелетной мышце. Миофибры – это основные элементы мышц, состоящие из актиновых и миозиновых миофибрилл. Белки, ответственные за сигнализацию активации спутниковых клеток, называются митогенами. Митоген – это небольшой белок, индуцирующий вход клетки в клеточный цикл. Когда клетки получают сигналы от нейронов, это вызывает деполяризацию миофибр и высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума. Высвобождение кальция индуцирует движение и сокращение мышц актиновыми и миозиновыми филаментами. Исследования показали, что трансплантированные на миофибры спутниковые клетки поддерживали множественные регенерации новой мышечной ткани. Эти данные подтверждают гипотезу о том, что спутниковые клетки являются стволовыми клетками мышц. В зависимости от их относительного положения к дочерним клеткам на миофибрах, спутниковые клетки подвергаются асимметричному и симметричному делению. Ниша и локализация определяют поведение спутниковых клеток в отношении пролиферации и дифференцировки. В целом, скелетная мышца млекопитающих относительно стабильна и характеризуется небольшим обновлением миоядер. Незначительные травмы, полученные в повседневной деятельности, могут быть восстановлены без воспаления или гибели клеток. Серьезные травмы приводят к некрозу миофибр, воспалению и активируют спутниковые клетки, стимулируя их пролиферацию. Процесс от некроза миофибр к формированию новых миофибр обеспечивает регенерацию мышц. Однако размер выборки был относительно небольшим, и исследование подверглось критике за отсутствие адекватного контроля за использованием иммуносупрессивных препаратов. Недавно было показано, что клетки, экспрессирующие Pax7, способствуют восстановлению кожных ран, приобретая фибротический фенотип посредством процесса, опосредованного Wnt/β-катенином.

Satellite cells have a crucial role in muscle regeneration due to their ability to proliferate, differentiate, and self renew. Prior to a severe injury to the muscle, satellite cells are in a dormant state. Slight proliferation can occur in times of light injuries but major injuries require greater numbers of satellite cells to activate. The activation of satellite cells from their dormant state is controlled through signals from the muscle niche. This signaling induces an inflammatory response in the muscle tissue. The behavior of satellite cells is a highly regulated process to accommodate the balance between dormant and active states. In times of injury, satellite cells in myofibers receive signals to proliferate from proteins in the crushed skeletal muscle. Myofibers are fundamental elements in muscle made up of actin and myosin myofibrils. The proteins responsible for signaling the activation of satellite cells are called mitogens. A mitogen is a small protein that induces a cell to enter the cell cycle. When the cells receive signals from the neurons, it causes the myofibers to depolarize and release calcium from the sarcoplasmic reticulum. The release of calcium induces the actin and myosin filaments to move and contract the muscle. Studies found that transplanted satellite cells onto myofibers supported multiple regenerations of new muscle tissue. These findings support the hypothesis that satellite cells are the stem cells in muscles. Dependent on their relative position to daughter cells on myofibers, satellite cells undergo asymmetric and symmetric division. The niche and location determines the behavior of satellite cells in their proliferation and differentiation. In general, mammalian skeletal muscle is relatively stable with little myonuclei turnover. Minor injuries from daily activities can be repaired without inflammation or cell death. Major injuries contribute to myofiber necrosis, inflammation, and cause satellite cells to activate and proliferate. The process of myofiber necrosis to myofiber formation results in muscle regeneration. However, the sample size used was relatively small and the study has since been criticized for a lack of appropriate controls for the use of immunosuppressive drugs. Recently, it has been reported that Pax7 expressing cells contribute to dermal wound repair by adopting a fibrotic phenotype through a Wnt/β catenin mediated process.

Регулирование

О регулировании спутниковых клеток известно немного. Хотя PAX3 и PAX7 вместе в настоящее время считаются основными маркерами спутниковых клеток, гены Pax общеизвестны как слабые активаторы транскрипции. Механизмы активации и покоя, а также индукция миогенной программы посредством миогенных регуляторных факторов Myf5, MyoD, миогенина и MRF4 остаются невыясненными. Некоторые исследования указывают на то, что спутниковые клетки подвергаются негативной регуляции со стороны белка, называемого миостатином. Повышение уровня миостатина усиливает экспрессию ингибитора циклин-зависимой киназы p21, тем самым подавляя дифференцировку спутниковых клеток.

Миосателлитные клетки и культивированное мясо

Миосателитные клетки в наибольшей степени способствуют регенерации и восстановлению мышц. Это делает их приоритетной целью для индустрии культивирования мяса. Эти спутниковые клетки являются основным источником формирования большинства мышечных клеток после рождения, в то время как эмбриональные миобласты отвечают за генерацию мышц в пренатальном периоде. Одна спутниковая клетка способна пролиферировать и давать большое количество мышечных клеток. Исходя из понимания того, что миосателитные клетки являются предшественниками большинства клеток скелетной мускулатуры, была выдвинута гипотеза о том, что если эти клетки можно выращивать в лаборатории и размещать на каркасах для формирования волокон, то мышечные клетки можно будет использовать для производства продуктов питания. Эта гипотеза подтвердилась, о чем свидетельствует появление множества компаний по всему миру, занимающихся культивированием мяса, таких как Mosa Meat в Нидерландах и Upside Foods в США. Обзор процесса культивирования начинается с выбора источника клеток. На этом начальном этапе определяется тип мяса, например, если требуется говядина, то клетки берутся у коровы. Далее следует выделение и сортировка миосателитных клеток из выбранного источника. После разделения на клеточные компоненты миосателитные клетки необходимо пролиферировать с использованием биореактора – устройства для выращивания микроорганизмов или клеток в среде, параметры которой можно легко контролировать. Выбранная среда должна имитировать оптимальные условия для пролиферации клеток в организме. После пролиферации клетки приобретают форму с помощью каркаса. Эти каркасы могут быть органическими, например, децеллюляризованные растительные или животные ткани, неорганическими, такими как полиакриламид, или представлять собой их смесь. После прикрепления клеток к каркасу и их полного созревания они становятся сырым мясным продуктом. Заключительный этап включает в себя любые необходимые пищевые процессы для получения желаемого конечного продукта.