<<
>>

Эмбриогенез и структура скелетной мышцы

Мышца состоит из пучков волокон шириной 20-100 мкм и длиной 1-40 мм. В свою очередь, каждое волокно состоит примерно из 1000 миофибрилл диаметром 1-2 мкм и длиной, соответствующей длине волокна. Каждая миофибрилла в эмбриогенезе образована слившимися миобластами.
Линейно-спиральный рост миофибриллы идет по концам, где новые миобласты прикрепляются и сливаются с многоядерным миопластом. Обычно новые миофибриллы в мышцах взрослых людей не образуются. Миофибрилла устроена из повторяющихся саркомеров, длина которых в покоящейся мышце равна 2.5-3.0 мкм. При сокращении длина саркомеров резко уменьшается, но длина тонких и толстых нитей остается неизменной.

Произвольное сокращение мышц регулируется нервными импульсами, достигающими нервно-мышечных синапсов и передающихся по системе Т-тубул (периодических выпячиваний сарколеммы) в виде “волны” внутриклеточных ионов кальция, бегущей вдоль мышечного волокна и освобождающей S-головки миозина от тропонин-тропомиозинового комплекса. С этого момента, по образному выражению В.С.Репина и Г.Т.Сухих (1998), “миозиновая лодка” получает возможность двигаться с помощью регулярных конформационных движений “S1-весел”. Периодическое альтернативное взаимодействие S1-глобул с АТФ и актином задает “весельный” ритм скольжения миозиновых нитей вдоль актиновых нитей. Амплитуда втягивания нитей актина в миозиновые определяется запасом АТФ и длительностью выключения тропонин-тропомиозинового комплекса кальцием в каждом саркомере. Когда вокруг фибрилл исчезает свободный кальций, включается механизм расслабления, при котором тропонин-тропомиозиновый комплекс вновь блокирует сшивки F-актина с головками миозина.

Множество других белков обеспечивает работу этой жесткой подвижной конструкции. Хотя миозин и актин составляют 60-70% всех белков миоцита, функция многих минорных белков абсолютно незаменима, поскольку их роль в сборке мышечного аппарата уникальна и не дублирована другими белками. Так, альфа-актин “пришивает” актиновую нить к Z-диску. Десмин и виментин в зоне Z-дисков помогают соседним тонким волокнам принять строго параллельное положение. Самый длинный белок нибулин и его “напарник” титин, подобно матрице, контролируют по длиннику сборку актиновых тонких нитей. Для сборки толстых миозиновых нитей необходимы С- и М-белки.

Доля белка дистрофина в нормальной скелетной мышце составляет 0,002% (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998). Подобно “микросухожилию”, дистрофин крепит актиновую нить к ламининовому рецептору, передавая таким образом нагрузки с актиновых нитей на базальную пластинку, минуя плазматическую мембрану. Пока остается общепринятой “механистическая” гипотеза, утверждающая, что дистрофин выполняет в мышечной клетке функции “затяжных винтов”, защищающих сарколемму от чрезмерной деформации и разрывов при сокращении (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998). Именно во время мышечного сокращения клетки без дистрофина в буквальном смысле “разваливаются” от физических нагрузок (C.Pasternak et al., 1995).


Кроме этого, в заметных количествах дистрофин обнаруживается в постсинаптических мембранах нейронов (K.E.Davies et al., 1995). Показано, что в ламининовый рецептор вместе с дистрофином вмонтирован трансмембранный сигнальный белок кавеолин-3 (K.S.Song et al., 1996). Это свидетельствует, что ламининовый рецептор с G-белками и рецепторными киназами участвует в химической передаче сигналов. Все перечисленные белки выполняют функции жестких деталей в гибкой подвижной конструкции.

Мало исследованным остается вопрос, почему в популяциях людей так редко встречаются наследственные заболевания, обусловленные доминантными или рецессивными мутациями генов семейства мышечно-тубулятной системы. Характер изменения мышечных белков и их возможная роль в этиопатогенезе детского церебрального паралича тоже не изучены.

Миогенез начинается с появления и обособления мезодермы из тотипотентных стволовых клеток зародыша. Микроманипуляции с дробящейся яйцеклеткой в культуре позволили выяснить, что бластомеры человека сохраняют тотипотентность до 4-х-клеточной стадии (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998). Первой транскриптазой мезодермы, кодирующей обособление тотипотентных мезодермальных предшественников, является фосфопротеин, структура которого кодируется геном Brachyury. Показано, что направленное рекомбинантное выключение гена Brachyury -/- в ранних зародышах мышей вызывает блокаду формирования передней (но не задней) мезодермы и нотохорды. Позднее возникают дефекты формирования сомитов (A.Kispart, B.Herrmann, 1994). Имеется очевидное сходство в сигнальной организации появления мезодермы в зародышах низших и высших животных (J.Wittbrodt, F.M.Rose, 1994).

Начальные этапы миогенеза (в культуре эмбриональных стволовых клеток) происходят в определенной последовательности (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998): 1 реакция агрегации изолированных эмбриональных стволовых клеток в эмбриоидные тельца; 2 активация гена Brachyury в эмбриоидных тельцах под влиянием активина А и bFGF. Ингибин и LIF блокируют активацию гена Brachyury; 3 образование независимых клонов-предшественников миобластов с помощью транскриптаз noggin, wnt-3, xwnt-8 и mix-1; 4 индукция мезенхимы с помощью экспрессии генов MHOX, PAX-3 и PAX-6; 5 фаза амплификации клонов-предшественников миобластов из мезенхимы с помощью активации транскриптазы Myo D1. Стволовые клетки наделены набором рецепторов и сигналов, автоматически поддерживающих их гомеостаз в стволовых пространствах (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998).

Количество мезодермальных клеток в эмбриоидных тельцах регулируется соотношением активин A+bFGF/LIF+ингибин. Дальнейшая пролиферация эмбриоидных телец сопровождается появлением линий с альтернативно экспрессированными транскриптазами PAX-3 и PAX-6 (J.B.Green et al., 1994). Появление второго эшелона клеток-предшественниц мезодермы идентифицировано по включению новых транскриптаз – goosecoid, noggin, wnt-3, xwnt-8 и mix-1. Полагают, что для запуска экспрессии этих транскриптаз необходимы разные дозы активина А, т.к. в эксперименте мышиные зародыши с двойной knockout мутацией wnt-3 -/- не имели каудальных сомитов и погибали на ранних стадиях органогенеза (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998). Это доказывает, что упомянутые транскриптазы являются частью кассеты HOX-генов, которые обеспечивают региональную сегментацию и специализацию мезодермы зародыша. Комбинация активного гена Brachyury в паре с экспрессией транскриптазы noggin ведет к появлению субпопуляции зародышевых клеток мезодермы, которые далее превращаются в основную массу мышечных клеток. Комбинация транскриптаз лежит в основе дифференцировки дорсальной и вентральной мезодермы зародыша (V.Canliffe, J.C.Smith, 1994). Экспрессия транскриптазы M-HOX запускает образование региональных тотипотентных стволовых мезенхимальных клеток в зародышах млекопитающих (S.Karatani et al., 1994). Близкая по функции транскриптаза Myo D1 экспрессируется в примитивной мезенхиме зародыша. Она запускает “аварийный” путь генеза новых линий миоцитов из мезенхимы, который активируется при тяжелых миопатиях и регенерации (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998). Важно, что генез региональной зародышевой мезенхимы начинается с общих клеточных предшественников, которые имеют огромный терапевтический потенциал для рекапитуляции эмбриогенеза кости, хряща, стромы паренхиматозных органов, жировой ткани, кожи и сухожилий (A.T.Caplan, 1994). Не исключено, что когда-нибудь методы генной инженерии будут применены для лечения атрофических изменений туловища и конечностей у детей, страдающих детским церебральным параличом.

В начале 3-й недели гестации парааксиальная мезодерма начинает сегментироваться в сомиты. Процесс начинается с головы (затылочные сомиты) на 20-м дне развития и двигается в каудальном направлении со средней скоростью 3 сомита в сутки. К концу 5-й недели у зародыша возникает 40-44 пары сомитов. Часто возраст зародыша определяют по числу сомитов (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998).

Информация о закладке сомитов и закладке конечностей получена на трансгенных животных или путем трансплантации эмбриональных клонов клеток. Это позволило показать, что мускулатура позвоночных состоит из мышц, развивающихся вокруг позвоночника, и мышц вентролатеральной группы, возникающих в эмбриогенезе независимо. Возможно, это имеет отношение и к характерному распределению парезов и параличей у детей с ДЦП.

Миогенез начинается в медиальной половине дерматомиотома, откуда возникают мышцы околопозвоночной области. Мышцы конечностей и вентролатеральной группы возникают в результате вторичной миграции миобластов-предшественников из сомитов (O.Pourquire et al., 1995). Признаки ранней специализации клеток в сомитах проявляются по экспрессии PAX-генов. В настоящее время идентифицировано 9 PAX-транскриптаз. Это семейство генов локализовано на хромосоме 2 человека (A.K.Lalwani et al., 1995).

Специализация миогенных клонов-предшественников начинается уже в сомитах. Многие гены начальной детерминации мышечных клонов остаются неидентифицированными. Полагают, что PAX-3 является самым ранним геном, который экспрессируется с момента сегментации сомитов (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998). Именно он по-разному экспрессируется в дерматомиотоме, маркируя латеральную часть дерматомиотома, где возникают популяции клеток-предшественниц зачатка конечностей и вентролатеральной группы мышц. PAX-3 является одновременно и “навигационным” геном, продукт которого контролирует направленную миграцию предшественников миобластов (E.Bober et al., 1994). С помощью техники трансплантации сомитов 9-дневных зародышей перепела в сомиты зародышей цыплят с образованием мышечных химерных закладок выяснена роль позиционной информации и пути миграции клеток в закладках (J.Fontaine-Perus et al., 1995).

Экспрессия “навигационного ” гена PAX-3 в мигрирующих клетках дерматомиотома создает критическую массу клеток в почке конечности. На мигрирующих клетках-предшественницах экспрессирован рецептор c-met для ростового фактора HGF. Градиент концентрации HGF на верхушке почки создает хемотаксис и миграцию клеток в растущий зачаток (J.A.Epstein, D.N.Shapiro et al., 1996). Второй организующей химической силой является градиент FGF-1, FGF-2, FGF-4 и HGF по растущему краю эктодермального гребня, который изнутри направляет рост почки конечности (A.Vogel et al., 1995). Третья группа сигналов образуется в эмбриональной мезенхиме почки конечностей. Экспрессия транскриптазы HOXd запускает активацию кассеты генов SHH и двух регуляторных пептидов, которые в задней мезенхиме активируют транскриптазу WNT-7, определяющую дальнейший порядок включения генов в тотипотентных мезенхимы (P.C.Lord et al., 1995). Перечисленные три группы сигналов задают трехмерный контур роста зачатка конечности (J.A.Epstein et al., 1995).

Из других Hox-генов непосредственное отношение к формированию зачатка конечности имеет Hoxd транскриптаза. Ее функция заключается в инициации позиционной информации (трехмерная карта) будущей конечности. На ранней стадии Hoxd контролирует региональную пролиферацию недифференцированной мезенхимы. Позднее Hoxd принимает участие в дифференцировке появляющихся клеток-предшественниц миоцитов из мезенхимы.

Показано, что рекомбинационное выключение Hoxd гена в эмбриональных стволовых клетках приводит к нарушению развития скелета, костей и мышц конечностей (J.A.Epstein et al., 1995). Аппликация гранул, пропитанных FGF-1, на поверхность мезенхимы зародыша вызывает эктопическое образование новых конечностей (M.I.Cohn et al., 1995). С помощью микроаппликаций гранул, пропитанных FGF-1, в область зачатка конечности удалось вызвать полидактилию и удвоение зачатков пальцев (J.Helms et al., 1994). Эффекты FGF-1 в обоих случаях были связаны с активацией гена SHH.

Важные результаты были получены на зародышах мышей с генетически выключенным HOX-13d геном. Проксимальные отделы конечности развивались нормально, но пролиферация клеток дистальных отделов резко замедлялась. В этих условиях морфогенез конечности шел по атавистическому пути: зачатки пальцев сливались, формируя типичный плавник рыбы (P.Sardino et al., 1995). Авторы объясняют этот феномен тем, что дистальные части конечности контролируются эволюционно поздними генами, а проксимальные отделы конечности контролируются эволюционно древними HOX-генами.

Сосуды почки конечности развиваются из двух источников. Центральная часть почки получает васкуляризацию путем врастания межсомитных веточек артерий. Некоторое время периферия закладки конечности остается без капилляров и сосудистой сети. Однако очень быстро из локальной мезодермы образуются ангиобласты, которые формируют типичные капилляры, увеличивающиеся далее путем краевого роста (sprouting) (B.Brand-Saberi et al., 1995). Характерно, что все появляющиеся сомиты и их парааксиальная мезодерма уже содержат преформированные ангиобласты или их предшественники.

Следует добавить, что по настоящее время не известны инициирующие факторы, приводящие к нарушению ангиогенеза. Полагают, что в патогенетическом механизме лежат сложные процессы диспластического метаморфоза первичной капиллярной сети эмбриона, возникающие на 3-6-й неделе внутриутробного развития (В.С.Панунцев с соавт., 1994).

После миграции PAX-3-позитивных мезодермальных клеток в почку конечности включается новая кассета рестрикционных транскриптаз, которые формируют закладку и пролиферацию основных миогенных эмбриональных линий. Формирование исходных мышечных линий в зачатке конечностей повторяет правило эмбриогенеза, отобранные эволюцией для всех видов. Начальные этапы миогенеза осуществляются универсальной кассетой генов, общей у высших и низших животных, включая человека. В кассету входят наборы генов транскриптаз, ростовых факторов и их рецепторов, которые определяют трехмерную карту миграции и пролиферации клеток в ходе формирования осевых органов, сомитов, закладок конечностей, головного мозга и т.д. Иногда в эти программы встроены кластеры генов адгезинов и интегринов, регулирующих межклеточные взаимодействия в онтогенезе. Гены интегринов обычно локализованы поблизости от соответствующих HOX генов (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998).

По мнению В.С.Репина и Г.Т.Сухих (1998), трансплантация дефицитных клонов эмбриональных клеток способна корригировать аномалии эмбриогенеза либо повторять заново отдельные стадии эмбриогенеза в более позднем периоде развития. Трансплантируя ранние зародышевые клоны в подобранных ансамблях, можно искусственно повторять органогенез по частям (A.Harding et al., 1995). Модулем таких сборок могут быть только клоны и линии эмбриональных недифференцированных клеток (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998).

Третий этап миогенеза в почке конечности представляет собой почти одновременную закладку линий миоцитов, которые запускаются семейством четырех рестрикционных транскриптаз: Myo D, myogenin, myf-5 и myf-6. Эти рестрикционные транскриптазы принадлежат одному семейству генов и выполняют в мышце взаимозаменяемые или близкие функции (W.R.Ashley et al., 1994). Показано, что активация Myo D, myogenin, myf-5 и myf-6 происходит в разных регионах сомитов, а также в миотомах и дерматомах. Например, в шейных сомитах запуск образования клонов миоцитов идет с помощью Myo D, а в грудных и поясничных отделах – с помощью myf-5 и myogenin (T.H.Smith et al., 1994). Замечательно, что регенерационная активация сателлитных клеток в поврежденной мышце идет с помощью клонов, в которых транскриптазы семейства Myo D активируются в разном порядке в разных мышцах (C.K.Smith et al., 1994). Смысл этого явления пока не разгадан.

Включение гена MHC (myosin heavy chain) означает переход эмбриональных миобластов в фетальные миоциты с терминальной дифференцировкой фибрилл. С этой стадии начинается опережающее формирование мышечных клонов для постнатальной жизни плода. Дифференцирующиеся клоны миобластов неизбежно сливаются в фибриллу.

Подтверждением клональной теории формирования мышечной системы млекопитающих и человека являются данные о том, что развитие передних и задних конечностей контролируется одними и теми же генами, но с некоторым запаздыванием экспрессии для задних конечностей. Реализация действия ранних генов миогенеза не может происходить без региональной экспрессии основных цитокинов и ростовых факторов, которые необходимы для формирования региональных клеточных масс (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998).

О важности межклеточных контактов в детерминации линий миоцитов в эмбриональной мезодерме свидетельствуют экспериментальные данные, показавшие, что образование клонов миоцитов не происходит в первичной культуре мезодермальных клеток, обработанных цитостатиками (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998).

Показано, что в регенерирующей мышце человека многие сателлитные клетки активно экспрессируют Myo D, причем не наблюдается корреляции между пролиферацией стволовых мышечных клеток и количеством Myo D-позитивных бластных клеток.

Число Myo D-позитивных сателлитных клеток резко падает с возрастом, что коррелирует с исчезновением регенерационного потенциала мышц пожилых людей (K.Koishi et al., 1995). В то же время денервация резко увеличивает число Myo D-позитивных сателлитных клеток. Это означает, что регенерация (пораженных, поврежденных. – И.С.) скелетных мышц напоминает миогенез в эмбриональной мышце. Сателлитные клетки делятся на два пула: одна часть остается бессмертной незрелой популяцией, другая вступает на путь необратимой дифференцировки с помощью транскриптазы Myo D и других генов этого семейства (J.Rantanen et al., 1995).

Возрастные изменения регенерации мышц человека связаны с возрастанием доли фибробластов/сателлитных клеток, доли соединительной ткани в мышцах и с так называемыми тонкими миофибриллами, не получившими иннервации в ходе эмбриогенеза. Пул тонких фибрилл определяется числом тонких волокон, оставшихся без иннервации во время эмбриогенеза. Далее эти волокна подвергаются атрофии. От волокон остаются одиночные сателлитные клетки (В.С.Репин, Г.Т.Сухих, 1998).

Сателлитные клетки и мезенхимальные стромальные клетки, локализованные в “стволовых пространствах” мышц, считаются неиспользованным “резервом” для лечения миодистрофий. Показано, что стромальные клетки при определенных обстоятельствах могут превращаться в линии миофибробластов, которые (в условиях культуры) способны сливаться с миобластими или миофибриллами нормальных или больных мышц (G.Salvatori et al., 1995). При образовании гетерокарионов “фибробласт-миоцит” всегда доминировал фенотип миоцитов (S.M.Evans et al., 1994), что совпадает с данными M.Breton с соавт. (1995), что мышечная ткань может ассимилировать аллогенные фибробласты. Это облегчает задачу использования здоровых аллогенных фибробластов для коррекции генетических дефектов мышц.

В эксперименте добавление сателлитных клеток, выделенных из поврежденной мышцы и размноженных в культуре, резко усиливало регенерационную гипертрофию мышц (по тесту суммарных белковых синтезов и активности креатинкиназы) (R.Bishoff, C,Heintz, 1994). Супернант из поврежденных мышц обладал дополнительным стимулирующим действием за счет ускорения васкуляризации и иннервации новых миофибрилл, возникших из пересаженных сателлитных клеток (M.Kurabayashi et al., 1994). Данные этих экспериментов заставляют вспомнить точку зрения В.Б.Ульзибата и соавт. (Избранные вопросы…, 1993), считающих детский церебральный паралич врожденным системным заболеванием скелетной мускулатуры.

С помощью электронной микроскопии определены “горячие точки” регенерации поврежденных волокон в виде “почек” и утолщенный участков на периферии волокон, где шло слияние новых миобластов. В этих зонах скапливались макрофаги, которые, по образному выражению В.С.Репина и Г.Т.Сухих (1998), “выполняли роль зазывал, привлекая миобласты в зону регенерации с помощью коктейля цитокинов и ростовых факторов”. В формировании первичных и вторичных мышечных миофибрилл участвуют одни и те же клоны миобластов и сателлитных клеток, но пока не найдено способов направленного изменения числа первичных и вторичных фибрилл у экспериментальных животных.

Весьма любопытны в этом отношении эксперименты с сывороткой специальных “сверхмышечных” пород крупного рогатого скота, мышцы которых имеют двойной набор фибрилл. Оказалось, что сыворотка крови этих животных резко усиливала пролиферацию миобластов человека в культуре. Возможно, эта сыворотка и ее очищенные ростовые факторы окажутся ценным подспорьем в крупномасштабном выращивании миобластов человека в целях трансплантации (D.E.Gerrard, M.D.Judge, 1993), которые начинают входить в реконструктивную хирургию как новый биоматериал для замещения мышечных дефектов. Уже созданы многослойные культуры миобластов С2С12, выращенные на биосовместимом коллагене мелкого рогатого скота, для замещения дефектов передней брюшной стенки. Выращенная культура представляет готовую для имплантации искусственно сконструированную мышцу большой площади, состоящую из произвольного числа слоев миофибрилл. Нетрудно оценить будущие перспективы таких циторазработок для косметологии и восстановительной хирургии.

Вопрос о применении здоровых аллогенных фибробластов и миобластов для коррекции мышечных атрофий у больных детским церебральным параличом не изучается.
<< | >>
Источник: Реферативный обзор. Вопросы этиопатогенеза детского церебрального паралича (ДЦП). 2010
Помощь с написанием учебных работ

Еще по теме Эмбриогенез и структура скелетной мышцы:

  1. Как двигаются скелетные мышцы
  2. Заболевания скелетных мышц
  3. Скелетная травма
  4. Опухоли скелетной мускулатуры
  5. Скелетно-мышечные заболевания
  6. Методика исследования скелетных мышц.
  7. Средства, применяемые при повышенном тонусе скелетных мышц
  8. Эмбриогенез нервной системы
  9. Эмбриогенез сердечно-сосудистой системы.
  10. Нейротрансмиттеры в эмбриогенезе