24 300
правок
Спорт-вики — википедия научного бодибилдинга
Изменения
→ИФР-1 и его варианты в мышечной ткани человека
{{Эндокринология}}
== Роль МРФ и других вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза, в поддержании объема и гипертрофии мышечной ткани ==
Методы молекулярной биологии существенно изменили наши взгляды на гормоны и их функцию. Классическое определение гормона — “химическое вещество, вырабатываемое специализированной железой и выделяемое в кровь, с которой оно переносится к различным тканям организма, стимулируя в них специфическую физиологическую реакцию". Сегодня нам уже известно о том, что гормоны или факторы вырабатываются во многих тканях организма, а некоторые из них оказывают аутокринный или паракриный эффект. Примером является система [[Инсулиноподобный фактор роста (научный обзор)|инсулиноподобного фактора роста I]] ([[ИФР-1]]) — семейства различных форм ИФР-1, каждая из которых обладает определенной биологической активностью. Они — продукт альтернативного синтеза гена IGF-I, экспрессия которого происходит под влиянием разнообразных стимулов. К настоящему времени осуществлена расшифровка последовательности генома человека и установлено, что он содержит в своем составе около 40 тыс. различных генов. Наряду с этим известно, что количество различных белков превышает это число, из чего следует, что для обеспечения такого фенотипического разнообразия часть генов должна давать белковые продукты, образующиеся в результате альтернативного синтеза мРНК. Ген ИФР, по-видимому, происходит от единственного гена инсулиноподобного белка, который содержатся у позвоночных. Похожий ген инсулиноподобного белка обнаружен в геноме нематоды C.elegans, а также у представителя хордовых — амфиокса, который связан родственными связями с общим предком позвоночных. В ходе эволюции позвоночных происходила дупликация гена, вследствие которой появились гены инсулина, ИФР-1 и ИФР-II. Эксперименты на C.elegans показали, что предковый инсулиноподобный белок предотвращает клеточную смерть и значительно продлевает срок жизни этой нематоды. Данная регуляторная система является, однако, еще более многогранной, поскольку при транскрипции генов инсулиноподобных факторов роста путем альтернативного синтеза могут образовываться различные мРНК и, соответственно, различные белки, обладающие различной биологической активностью.
ИФР-1, который первоначально называли соматомедином, рассматривался в качестве общего фактора роста, вырабатываемого печенью под влиянием [[Соматотропин|соматотропного гормона]] (СТГ). Позднее стало очевидным, что он содержатся в большинстве тканей организма и представлен различными молекулярными формами, каждая из которых оказывает специфическое воздействие.
== Система CIT—ИФР-1 ==
Гипотеза соматомедина возникла в 1950-х годах как результат первых попыток объяснить регуляцию соматического роста гипофизарным соматотропным гормоном. Было высказано предположение, что этот гормон способствует росту тканей-мишеней не прямым путем, а опосредовано, оказывая на них воздействие с участием промежуточных веществ (Daughaday, Reeder, 1996). Позднее был принят термин “соматомедин” (Daughaday et al., 1972), отражавший стимулирующее влияние этих веществ на процессы роста, которые в последующем были идентифицированы и названы [[Инсулиноподобный фактор роста|инсулиноподобными факторами роста]] (Rinderknccht, Humbel, 1978; Klapper et al., 1983). Однако в 1985 г. Грином с соавторами была выдвинута “гипотеза двойственного действия” (“dual effector hypothesis", Green et al., 1985), согласно которой СТГ оказывал непосредственное влияние на периферические ткани, без участия ИФР-1, а также стимулировал выработку ИФР-1 на локальном уровне. Сегодня известно, что одной из основных функций СТГ является стимуляция секреции ИФР-1 в печени, и кроме того, гормон роста стимулирует формирование тройного ИФР-связывающего комплекса, который обеспечивает стабильность ИФР-1 в сыворотке крови и содержит ИФР-связывающий белок (IGFBP-3) и кислотно-лабильную субъединицу (ALS). Секреция СТГ происходит в соматотропных клетках, расположенных в [[Передняя доля гипофиза|передней доле гипофиза]] (аденогипофизе) и имеет волнообразный характер. Самостоятельное функциональное воздействие СТГ на периферические ткани заключается в анаболическом эффекте на биосинтез белка (увеличение синтеза ДНК, РНК и белка), стимуляции роста хрящевой ткани и се кальцификации, стимуляции обменных процессов с использованием жиров и их расщепления в процессах энергообмена. Предполагается, что индуцированное физической нагрузкой повышение уровня СТГ оказывает прямое или опосредованное влияние на многие процессы соматического роста, связанные с формированием тканей (см. обзор Nindl et al., 2003).
Вне всяких сомнений важность функций, выполняемых системой СТГ-ИФР-1 в процессах постнатального роста и развития, в подростковом периоде уровень этих гормонов в организме достигает своего максимального значения. Вместе с тем с возрастом происходит последующее снижение их содержания в крови, столь существенное, что пожилых людей можно считать частично дефицитными по СТГ (Rudman et al., 1981). Взаимосвязь между возрастными изменениями функции СТГ-ИФР-1, а также снижением мышечной массы и силы стала предметом интенсивных исследований. У молодых лиц зрелого возраста с дефицитом СТГ применение рекомбинантного гормона роста человека сопровождалось положительными изменениями мышечной массы и функций (Cunco et al., 1991). В другом исследовании лиц зрелого возраста с дефицитом СТГ в организме в течение длительного времени подвергали лечению с применением СТГ, при этом наблюдалось не только увеличение мышечной силы, по и сокращение массы жировой ткани (Beshyah et al., 1995). Эти результаты послужили основой для убежденности в том, что терапия с применением рекомбинантного СТГ сможет принести пользу и лицам старшего возраста с дефицитом СТГ и ИФР-1. Однако исследования, направленные на изучение совместных эффектов применения СТГ и силовой тренировки у лиц зрелого (Yarasheski et al., 1992) и старшего возраста (Yarasheski et al., 1995), показали, что уровень процессов биосинтеза белка в организме при выполнении силовых упражнений не изменялся в случае применения СТГ. Более того, у лиц старшего возраста также наблюдались изменения мышечной массы и функций, которые имели сходный характер в обеих группах исследованных лиц (Lange et al., 2002). Следует отметить, что в исследованиях с применением рекомбинантного СТГ, вероятнее всего, использовали изоформу гормона с молекулярной массой 22 кДа, которая преобладает в составе СТГ сыворотки крови. Однако в крови обнаружены также и другие изоформы гормона общим количеством более 100 (Baumann et al., 1991), функции которых пока не установлены. Роль СТГ и ИФР-1 в крови, в частности в адаптации мышечной ткани в зрелом возрасте, также остается неясной. Возможно, что значение системных ростовых факторов для гипертрофии мышц относительно невелико. Например, в одной из работ было показано, что мышцы крыс с удаленным гипофизом, подвергавшиеся физической нагрузке, сохраняли способность к гипертрофии, несмотря на существенно сниженный системный уровень ИФР-1 (Adams, Haddad, 1996). Эти результаты в сочетании с простым наблюдением того, что гипертрофия отмечается только в мышцах, подвергающихся физической нагрузке, подчеркивает важность местных систем ИФР-1 для адаптивных изменений мышц.
== Экспрессия вариантов ИФР-1 в мышечной ткани ==
Мышцы могут быть стимулированы к быстрому росту при воздействии на них физической нагрузки; электрическая стимуляция мышцы, удерживаемой в растянутом состоянии, также способствует как удлинению мышцы за счет добавления новых последовательных саркомеров в волокне, так и увеличению ее поперечного сечения за счет добавления саркомеров, расположенных параллельно существующим (Gold-spink et al., 1992). Этот подход в сочетании с использованием полимеразной цепной реакции с обратной транскриптазой (RT—PCR) со специфическими праймерами обнаружил две различные мРНК (Yang ct al., 1996), последующее клонирование и секвенирование которых позволило идентифицировать их как продукты транскрипции гена IGF-I, образовавшиеся в результате альтернативного синтеза (Yang et al., 1996). Один из них — IGF-IEa был также обнаружен в покоящейся мышце и соответствует транскрипту, экспрессия которого происходит в печени. Второй, не обнаруженный в покоящейся мышце — это IGF—IEb.
Применение стандартной терминологии, сформировавшейся в ходе исследований ИФР-1 в печени, для других тканей является довольно проблематичным и поэтому варианту ИФР-1, обнаруженному в мышцах, было дано название [[Механический фактор роста|механический фактор роста]], или МФР (mechano growth factor, MGF), которое отражает его выраженную регуляцию механическими стимулами (Yang et al., 1996). От обычной изоформы ИФР-1, синтез которой происходит в печени, этот вариант отличается аминокислотной последовательностью участка на карбоксильном конце белка. Дополнительная проблема связана с тем, что МФР может рассматриваться как IGF-Ib у крысы и как IGF-Ic в соответствии с классификацией, основанной на исследовании клеток гематомы (Chew et al., 1995), у человека. В мышцах человека был также обнаружен дополнительный транскрипт, получивший название IGF-lb (Hameed et al., 2004), который, однако, отличается от IGF-lb крысы. Таким образом, становится очевидным, что несмотря на определенное сходство вариантов ИФР-1, экспрессирующихся в мышцах, и изоформ печени их следует характеризовать отдельно.
== Механический фактор роста ==
Кроме зависимости экспрессии МФР от механической активности мышцы, было отмечено, что Е-компонент этого фактора содержит вставку, которая изменяет открытую рамку считывания. Аминокислоты кодируются комплексами нуклеотидных оснований и поэтому любая вставка, длина которой не кратна 3, будет изменять расположенную за ней кодирующую структуру. У крыс обнаружена вставка длиной 52 пары нуклеотидов, а у человека — 49 пар нуклеотидов. Это имеет важные функциональные последствия, поскольку структура на З'-конце мРНК кодирует различные пептидные структуры на карбоксильном конце белковой молекулы, которые отвечают за ее узнавание связывающими белками. Кроме того, в случае МФР структура на С-конце молекулы (которую кодируют 5-й и 6-й экзоны) действует как другой фактор роста, соединенный с пептидом, который связывается с рецептором ИФР-1 (которую кодируют 3-й и 4-й экзоны). Показано, что изолированный Е-компонент индуцирует деление одноядерных миобластов и, следовательно, активирует спутничные (стволовые) мышечные клетки, принимающие участие в гипертрофии и восстановлении мышц (Yang, Goldspink, 2002). МФР не гликозилируется и существуют доказательства того, что в свободном виде, т. е. вне комплекса со связывающим белком, который может иметь внутриклеточную локализацию, продолжительность его существования очень коротка, поэтому МФР может рассматриваться как аутокринный/паракринный или местный ростовой фактор, который вырабатывается в периферических тканях в ответ на механические стимулы и оказывает свое воздействие на те мышечные волокна, в которых он вырабатывается. Таким образом, МФР является сигнальной молекулой, занимающей важное место в локальной регуляции [[Рост мышц|роста мышечной ткани]].
== Активные мышцы вырабатывают системный ИФР-1 ==
Как отмечалось выше, IGF-IEa также экспрессируется в скелетной мышце и в ряде других тканей. По своей последовательности он похож на основную изоформу, вырабатываемую в печени, что позволяет предполагать наличие у него системного действия. Вместе с тем в мышцах происходит экспрессия, по крайней мере, двух главных связывающих белков системной формы ИФР-1, которая подобно экспрессии IGF-IEa имеет тенденцию к усилению под действием физической нагрузки. Если IGF-IEa, вырабатываемый мышцами, образует комплексы с этими связывающими белками в межклеточном матриксе и в сыворотке, тогда можно ожидать, что он будет оказывать больший эффект на те мышцы, которые его продуцировали, по сравнению со всеми остальными, а его действие может рассматриваться как аутокринное и паракринное, а также эндокринное.
Кроме различий в структуре С-концевого участка молекулы, МФР отличается от IGF-IEa и по кинетике экспрессии. Было показано, что у крыс в ответ на упражнения силовой направленности экспрессия мРНК МФР происходит раньше, чем мРНК IGF-IEa (Haddad, Adams, 2002). Эти результаты подтверждаются также тем, что у крыс после повреждения мышечной ткани волнообразная секреция МФР происходит па протяжении нескольких дней, в то время как повышенный уровень экспрессии IGF-IEa, увеличение которого наблюдается после снижения уровня МФР, сохраняется в течение более длительного срока (Hill, Goldspink, 2002).
== ИФР-1 и его варианты в мышечной ткани человека ==
При исследовании молодых мужчин, призванных в армию, после 7 дней интенсивной физической нагрузки, включавшей участие в марш-броске и учениях, у них было обнаружено увеличение иммунореактивного ИФР-1 в мышцах (Hellsten et al., 1996). В другом исследовании у лиц старшего возраста после выполнения программы силовой тренировки продолжительностью 12 недель методом иммуногистохимии в четырехглавой мышце бедра было установлено увеличение уровня ИФР-1 па 500 % (Singh et al., 1999). Программа силовой тренировки включала 3 этапа по 8 повторений упражнений для мышц — разгибателей бедра и колена с нагрузкой 80 % от определявшегося в недавнее время 1 повторного максимума (1ПМ) 3 раза в неделю. Очевидно, тип физической тренировки, когда активным мышцам приходится преодолевать значительную нагрузку, приводит к их гипертрофии. Однако исследования изменений отдельных вариантов ИФР-1 не проводились. Недавно с применением количественной оценки методом ПЦР в реальном времени (real-time PCR) был определен уровень МФР и IGF-IEa вскоре (через 2,5 ч) после однократного выполнения упражнения для мышц — разгибателей колена с высокой интенсивностью. В этом исследовании участники выполняли 10 по 6 повторений упражнения с нагрузкой 80 % 1ПМ (Hameed et al., 2003а). У молодых лиц после выполнения упражнения с отягощением наблюдалось достоверное повышение уровня мРНК МФР, однако у лиц старшего возраста никаких изменений обнаружено не было. Кроме того, в этой же временной точке ни в одной из групп изменений уровня мРНК IGF-IEa не выявлено. Эти результаты интересны тем, что они в целом согласуются с результатами экспериментов на животных, в которых было показано возрастание уровня МФР перед изменениями IGF-IEa, что свидетельствует о различной регуляции этих изоформ. Не было обнаружено никакой связи с содержанием различных изоформ тяжелых цепей миозина в составе мышечного волокна, однако заслуживает внимания тот факт, что у участника исследований с наибольшим повышением уровня МФР в мышцах экспрессировалась преимущественно изоформа тяжелой цепи миозина MHC-IIX. Упражнения с отягощениями включают концентрический и эксцентрический компоненты, и недавно появилось сообщение о повышении содержания мРНК ИФР-1 в мышцах через 48 ч после одноразового выполнения эксцентрических (но не концентрических) сокращений (Bamman et al., 2001). Нами были проведены аналогичные исследования и мы снова обнаружили через 2,5 ч после выполнения упражнений на велотренажере эксцентрического типа достоверное увеличение уровня МФР (но не IGF-Iea). Эксцентрические упражнения общей продолжительностью 60 мин заключались в педалировании па велотренажере в обратную сторону со ступенчатым изменением нагрузки: 0-6 мин - 50 %; 6-12 мин - 75 %; 12-20 мин -100%; 20-25 мин - 130%; 25-40 мин - 100%; 40—60 мин — 75 % — нагрузки, соответствующей предварительно определенной V02max при концентрическом сокращении (Hameed et al., 2003b). Таким образом, возможно, что в упоминавшейся выше работе (Bamman et al., 2001) авторы в этой более поздней временной точке обнаружили увеличение IGF-IEa, но не МФР.
Тогда как ключевая роль механической активности в регуляции локального уровня экспрессии ИФР-1 является очевидной, остается неясным вопрос о существовании какой-либо еще регуляции со стороны других гормонов, особенно СТГ. О существовании такой возможности говорят результаты проведенного недавно лонгитудинального исследования взаимосвязи между эффектами применения экзогенного СТГ и занятий силовыми упражнениями у пожилых людей. Участники исследования, возраст которых составлял 74 ± 1 год, выполняли программу занятий силовой тренировки с применением плацебо либо рекомбинантного СТГ (рСТГ), либо применяли рСТГ без занятий физическими упражнениями. Программа силовой тренировки включала три различных упражнения для мышц нижних конечностей: жим ногами, разгибание ног в коленях в положении сидя и сгибание ног в коленях в положении сидя. Занятия проходили три раза в неделю и состояли из 3—5 подходов по 8—12 ПМ для каждого упражнения. В группе лиц, применявших только рСТГ, через 5 недель приема препарата изменений уровня мРНК МФР не выявлено, при этом уровень мРНК IGF-IEa повышался на 237 %. В группе, занимавшейся выполнением силовых упражнений в течение 5 недель, наоборот, установлено значительное повышение экспрессии МФР на 163 % и в меньшей степени IGF—IEa (на 68 %). Однако в случае применения рСТГ в сочетании с занятиями физическими упражнениями повышение уровня МФР было наибольшим — 456 %. Эти данные позволяют сделать вывод, что применение экзогенного СТГ приводит к стимуляции транскрипции гена IGF-I в общем, независимо от синтеза, который приводит к появлению вариантов первичных форм ИФР-1. В отсутствие силовой тренировки в результате синтеза образуется преимущественно изоформа IGF-IEa, однако при воздействии па мышцу физической нагрузки синтез происходит таким образом, что образуется МФР.
Более того, в этом исследовании был обнаружен и клонирован еще один вариант мРНК ИФР-1 — IGF-IEb. Функции этой третьей изоформы, выделенной из мышц, пока не установлены.
== Строение ИФР-1 ==
Белки семейства ИФР-1 представлены одной полипептидной цепью примерно из 70 аминокислотных остатков. Их стртуктура является не только результатом альтернативного синтеза мРНК гена IGF-I, как и в случае [[инсулин]]а исходная структура ИФР-1 подвергается посттрансляционным изменениям. Первичная структура ИФР-1 обладает достаточным сходством с таковой проинсулина (43 % гомологии последовательности), в ее состав также входит N-концевой В-компонент, отделенный от А-компонента коротким соединительным С-компонентом. Однако в отличие от проинсулина последовательность ИФР-1 длиннее за счет размещенных на ее С-конце дополнительных компонентов D и Е (Lowe et al., 1988).
Третичная структура ИФР-1 первоначально была предсказана с помощью компьютерного моделирования. При этом в качестве основы была использовала трехмерная структура кристаллического инсулина, построенная на основании данных рентгеноструктурного анализа. Как уже отмечалось, ИФР-1 несколько длиннее инсулина, тем не менее их рецепторные компоненты обладают большим сходством и используются в качестве основы для моделирования структуры конформации белковых молекул ИФР-1 и ИФР-11. При предсказании третичной структуры ИФР-1 особенно важным фактом была консервативность цистсинового и глицинового остатков у ИФР-1 и проинсулина. В молекуле ИФР-1 также сохранен характерный гидрофобный кор инсулина: А2 Не, А16 Leu, В12 Val, В15 Leu и В24 Phe. Наиболее явные отличия между ИФР-1 и инсулином заключаются в последовательности С-компонента. Дополнительный С-концсвой участок, обеспечивающий разнообразие вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза, придает им специфические свойства, которые определяют их биологическую активность. Наряду с инсулиновым гидрофобным кором молекула ИФР-1 содержит три дисульфидных мостика, определяющих ее трехмерную структуру. Вместе с тем присутствие дисульфидных связей в молекуле ИФР-1 затрудняет искусственный химический синтез ИФР-1, поскольку для обеспечения нативной функциональной структуры и стабильности необходимо наличие всех трех S—S связей (Narhi et al., 1993).
== Клеточные эффекты ИФР-1 опосредуют клеточные рецепторы ==
Биологическая активность любого гормона зависит от способности клеток-мишеней отвечать па сигналы из внеклеточного пространства. Эту функцию обеспечивают клеточные рецепторы, а также пострецепторные механизмы. Предполагается, что молекулы ИФР-1 и ИФР-И взаимодействуют с рецептором ИФР-1 (IGF-IR), который обладает структурным и функциональным сходством с рецептором инсулина (IR), уровень которого составляет более SO % содержания аминокислотной структуры. Несмотря на такое сходство, ИФР-1 связывается с IR исключительно в фармакологических лозах. Это обусловлено главным образом различиями в степени сродства, которое у ИФР-1 для IFR-IR на два порядка выше, чем для IR. ИФР-11 помимо связывания с IFR-IR способен связываться с высокой чувствительностью с другим рецептором, имеющим название IGF-IIR.
IGF-1R представляет собой тирозин-специфическую протеинкиназу с участком связывания гормона, расположенным на внешней поверхности клеточной мембраны. Считают, что этот рецептор опосредует большую часть воздействий ИФР-1 на скелетную мышцу. Например, IGF-IR участвует в регуляции потребления аминокислот и гексоз в камбаловидной мышце крысы (Yu, Czech, 1984), мышечных клетках ВСЗН1 (De Vrocde ct al., 1984) и синтезе ДНК в миосатсллитоцитах (клетках-спутниках) цыплят (Duclos ct al., 1991). Таким образом, рецептор ИФР-1 опосредует несколько различных эффектов ИФР-1, таких, как стимуляция потребления аминокислот, пролиферация, дифференциация и подавление разрушения белков (Ewton et al., 1987).
Механизмы передачи сигнала ИФР-1 усложняются вследствие существования гибридных рецепторов, которые формируются в результате димеризации мономеров рецепторов IGF-IR и IR. Каждый гибридный рецептор содержит по одной а- и β-субъединице, которые соединены дисульфидлыми связями. В определенных условиях такие гибридные рецепторы моще превосходить по количеству гоморецепторные молекулы на поверхности клетки (см. обзор Le Roith, Roberts, 2003). Такие гибридные рецепторы IGF-IR/IR связывают с высокой степенью сродства ИФР-1, в то же время их сродство к инсулину существенно снижено. Причиной может быть способность ИФР-1 связываться с какой-либо одной а-субъединицей рецептора IGF-IR, в то время как для эффективного связывания инсулина необходимо его взаимодействие с обеими β-субъединицами рецептора IR.
Следует отметить, что среди известных мышечных ростовых факторов ИФР-1 обладает уникальной способностью стимулировать и пролиферацию и терминальную дифференциацию постмитотических мышечных клеток. Такой эффект может быть обусловлен существованием в мышечной ткани различных вариантов ИФР-1. Было также показано, что различные варианты ИФР-1 имеют различную функцию в пролиферации и дифференциации миобластов (Yang, Goldspink, 2002). Показано также, что осуществление этих различных функций альтернативных вариантов ИФР-1 происходит при участии различных рецепторов.
== ИФР-1-связывающие белки ==
Роль специфических связывающих белков в регуляции аутокринных и паракринных эффектов системы ИФР становится все более очевидной (Florini et al., 1996; Damon et al., 1997). Среди 7 описанных к настоящему моменту ИФР-связывающих белков (IGFBP) четыре (IGFBP-2, 4, 5, 6) вырабатываются различными клеточными элементами миобластов, тогда как в скелетных мышцах человека зрелого возраста происходит экспрессия только IGFBP-4, 5, 6 (Florini et al., 1996; Putzer et al., 1998). Предполагалось, что IGFBP являются элементом общей системы регуляции ИФР, однако их экспрессия в скелетных мышцах оказывает определенный эффект на удержание ИФР-1 в тканях. В свободном состоянии ИФР-1 имеет очень небольшое время существования и IGFBP рассматривались первоначально в качестве транспортных белков для переноса ИФР в системе кровообращения. Однако при экспрессии в мышечной ткани ИФР-связывающие белки модулируют эндокринное, а также локальное действие ИФР-1 (Mohan et al., 1996). Какое действие IGFBP оказывают на тканевом уровне — точно не известно, однако предполагается, что они стабилизируют ИФР-1 и увеличивают его локальную биологическую доступность (Jones, Clemmons, 1995; Mohan et al., 1996; Clemmons et al., 1998).
Показано, что после ишемической травмы происходит повышение уровня мРНК и белка ИФР-1 и IGFBP (Jcnnische, Hall, 2000). С помощью гибридизации in situ было установлено, что экспрессия IGFBP-5 происходит только в регенерирующих мышечных клетках, в то время как IGFBP-4 экспрессируется также и в соединительной ткани (Boes et al., 1992). Показано влияние механических нагрузок либо их отсутствия на регуляцию экспрессии в мышечной ткани некоторых связывающих белков. Так, например, у мыши физические нагрузки мышц приводят к увеличению экспрессии мРНК IGFBP-4 и снижению количества мРНК IGFBP-5 (Awcde et al., 1999), и наоборот, отсутствие физической нагрузки мышц приводит к снижению уровня мРНК IGFBP-5, однако не влияет на содержание мРНК IGFBP-4. Предполагается, что эти ИФР-связывающие белки опосредуют эффекты ИФР-1 с помощью регуляции концентрации этого фактора роста в свободном состоянии, а также путем конкуренции с рецепторами ИФР-1 за связывание с фактором роста (Awede et al., 1999). В настоящее время проводятся также исследования, направленные на характеристику специфических связывающих белков для МФР, которые отличаются по своим свойствам от связывающих белков других вариантов ИФР-1.
== Биологические эффекты различных вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза ==
Все виды ИФР-1, образованные в результате альтернативного синтеза, имеют одинаковый компонент связывания с рецептором, который кодируют 3-й и 4-й экзоны гена IGF-I. Этот компонент, по-видимому, и является основой для анаболических эффектов ИФР-1. Это было убедительно продемонстрировано многочисленными исследованиями in vitro, в которых было показано, что воздействие ИФР-1 приводит к увеличению диаметра мышечных клеток, подавлению деградации белков, увеличению потребления аминокислот и стимуляции биосинтеза белка (Ewton et al., 1987; Vandenburg et al., 1991; Florini et al., 1996; Semsarian et al., 1999; Bodinc ct al., 2001; Rommel et al., 2001). Образование ИФР-1 во время гипертрофии мышц было показано на нескольких моделях животных, включая гипертрофию, индуцированную растягиванием мышц. Например, у крыс гипертрофия, индуцированная тенотомией (рассечением сухожилия), сопровождалась повышением образования мРНК ИФР-1 в мышцах (Schlechter et al., 1986; Czerwinski ct al., 1994), a также трехкратным ростом мРНК ИФР-1 о камбаловидной и подошвенной мышцах у крыс в возрасте 11 — 12 недель (DeVoI et al., 1990). В последней работе для исследований были использованы крысы с удаленным гипофизом, что позволило также установить СТГ-независимый характер наблюдавшегося увеличения образования мРНК ИФР-1 в мышцах. Дальнейшие исследования, в которых использовали похожую модель функциональной нагрузки мышц у нормальных крыс и крыс с удаленным гипофизом, показали, что уровень мРНК и белка ИФР-1 повышался в мышцах еще до заметного проявления гипертрофии и оставался повышенным на протяжении всего процесса гипертрофии до 28 дней (Adams, Haddad, 1996). В другом исследовании, где использовали тренировку на тредмиле крыс с подавленной секрецией СТГ, уровень мРНК и белка ИФР-1 возрастал на 55 и 250 % соответственно (Zanconato et al., 1994). Более того, чрезмерное образование (Coleman et al., 1995) или прямая инъекция (Adams, McCuc, 1998) ИФР-1 в мышцы приводила к гипертрофии, тогда как ингибирование внутриклеточных компонентов сигнальной системы, связанной с активацией эффектов ИФР-1, позволяла предотвратить такую реакцию мышц (Bodine et al., 2001). Исследование влияния сверхэкспрессии ИФР-1 в локальных тканях на процессы атрофии мышц задней конечности, индуцированные отсутствием физической нагрузки, показали, что чрезмерное образование ИФР-1 в мышцах трансгенных мышей не позволяет предотвратить атрофию, связанную с отсутствием нагрузки (Criswell et al., 1998).
== Генетические манипуляции ИФР-1 в мышцах ==
Трансгенные мыши, у которых в организме происходит чрезмерное образование гена IGF-I, были получены в нескольких лабораториях. В первых экспериментах подобного рода, где использовали мышей с чрезмерным образованием гена СТГ, сообщалось о возрастании на 30 % мышечной массы и увеличении плотности костной ткани (Mathews et al., 1988). Вначале в этих экспериментах использовали металотионеиновый стимулятор, который при активации приводил к увеличению экспрессии ИФР-1 в большинстве тканей организма. Затем для создания трансгенных животных использовали генетические конструкции на основе регуляторных элементов, активация которых специфически происходит в мышцах, в частности стимулятора а-актина (Coleman et al., 1995). Несмотря на то что у таких мышей существенного повышения уровня ИФР-1 в сыворотке крови не происходило, у них наблюдалось существенное увеличение мышечной массы. В дальнейшем той же группой исследователей было показано, что у таких мышей по сравнению с обычными, более эффективно происходит регенерация мышц и мотонейронов (Rabinovsky et al., 2003). Трудно определить, была ли использована в этих генноинженериых экспериментах полноразмерная кДНК и содержала ли вставка структуру, взаимодействующую со связывающим белком. Важно также знать, насколько специфическим для мышечной ткани является образование ИФР-1. Обычно это определяется специфичностью регуляторной последовательности, использованной для осуществления контроля образования в генетической конструкции, которая была внедрена в трансгенное животное. Помимо животных со сверхобразованием ИФР-1, были созданы мыши с отсутствием гена IGF-I, т. е. мыши, в геноме которых не содержалось этого гена. Таким образом, у них не происходило экспрессии ни одного из вариантов ИФР-1 (Baker et al., 1993). Однако такие мыши погибали вскоре после рождения из-за недоразвитости их мускулатуры. Интересно, что результаты проведенных недавно экспериментов с использованием тканеспецифической делеции генов с применением Сге-lохР модели делеции генов поставили под вопрос роль СТГ и продуцируемого в печени ИФР-1 в контроле постнатального роста и развития (Sjogren et al., 1999; Yakar et al., 1999). С помощью этой системы гомологической рекомбинации была осуществлена специфическая делеция гена ИФР-1 в печени, при этом в остальных тканях, а именно: в сердце, мышцах, жировой ткани, селезенке и почках наблюдалась нормальная экспрессия этого гена. Эффект специфической делении гена ИФР-1 в тканях печени на рост и развитие генетически модифицированных мышей проявлялся в снижении уровня ИФР-1 в крови в возрасте 6 месяцев. Интересно, что при оценке размеров тела и массы отдельных органов не было выявлено никаких различий между нокаутными и обычными мышами. Это означает, что постнатальный рост и развитие происходят без участия ИФР-1, вырабатываемого печенью (Sjogren et al., 1999), что еще раз подчеркивает роль локальной системы ИФР-1 в этих процессах.
== Перенос генных конструкций, кодирующих различные варианты ИФР-1 ==
Открытие возможности трансфекции мышечных клеток простой внутримышечной инъекцией плазмидного вектора, содержащего структуру кДНК интересующего нас гена, предоставило возможность для лечения заболеваний, при которых наблюдается существенное снижение мышечной массы. Недавно были проведены эксперименты с использованием генетических конструкций, содержащих кДНК различных вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза, в том числе и МФР. В одном из таких экспериментов с целью определения роли МФР в функционировании мышечной ткани проводили инъекцию в мышцы нормальных мышей плазменные соединения с кДНК МФР. В результате через две недели объем мышц, в которые вводилась инъекция, увеличился на 25 % и было установлено, что это происходит за счет увеличения размера миофибрилл (Goldspink, Yang, 2001). Аналогичные эксперименты были проведены другими группами исследователей с использованием вирусных образований, содержащих кДНК варианта ИФР-1, вырабатываемого в печени (IGF-IEa). При этом также наблюдали увеличение мышечной массы менее чем на 20 %, однако для достижения такого эффекта потребовалось более 4 месяцев (Barton-Devis et al., 1998). Кроме лечения определенных заболеваний, перенос генов такого рода может быть использован и с целью злоупотребления. Использование аденовирусного содержимого для доставки генетического материала делает детекцию достаточно простой, поскольку этот вирус влияет на большинство типов клеток. В то же время плазменное соединение обнаружить гораздо сложнее, однако в настоящее время уже проводится разработка новых подходов, основанных на определении различных эффектов влияния на ген.
== Передача сигнала ИФР-1 при гипертрофии мышц ==
Какие именно сигнальные пути опосредуют эффекты ИФР-1, приводящие к гипертрофии скелетной мышцы, пока еще окончательно не выяснено, хотя предполагается, что в этом могут быть задействованы две сигнальные системы: кальциневрин/NFAT (ядерный фактор активированных T-клеток — nuclear factor of activated T-cells) (Musaro et al., 1999; Semsarian et al., 1999) и PI3-KHHa3a/Akt (Rommel et al., 2001). Дальнейшие исследования процессов гипертрофии in vitro и in vivo показали, что в стимуляции гипертрофии принимает участие не кальциневриновый сигнальный путь, а система Akt\mTOR, которая далее может активировать р70 S6 киназу (Bodinc et al., 2001; Rommel et al., 2001). Кроме того, сообщалось, что ИФР-1 в ходе этого процесса может посредством Akt ингибировать сигнальный путь кальципеврин/NFAT (Rommel et al., 2001). К сожалению, во всех исследованиях, проведенных в этом направлении, анализировали экспрессию суммарного ИФР-1 в ответ на физическую нагрузку.
== ИФР-I и саркопения ==
Старение организма сопровождается утратой мышечной массы и функции, однако механизмы, лежащие в основе этого процесса, остаются неясными. Происходит снижение уровня СТГ и ИФР-I в крови (Rudman et al., 1981), а также сокращение количества мышечных волокон (Lexell et al., 1988). Существуют доказательства роли ИФР-I в поддержании массы мышечной ткани у лиц старшего возраста и их количество постоянно увеличивается. Используя рекомбинантный аденоассоциированный вирус, содержащий стимулятор гена легкой цепи миозина (MLC1/3), кДНК ИФР-I вводили в мышцу — длинный разгибатель пальцев стопы (.extensor digitorum longvs) молодым (6 месяцев) и старым (27 месяцев) мышам (Barton-Davis et al., 1998). Это приводило к сверхобразованию ИФР-I (изоформы IGF-IEa) в этой мышце, однако не влияло на изменения уровня ИФР-I в плазме крови. Через 4 месяца после инъекции у молодых животных мышца с инъецированной кДНК ПФР-I имела в среднем на 15 % больше объем и силу по сравнению с необработанной мышцей. У старых животных после инъекции кДНК ИФР-I сила и объем мышцы через 4 месяца увеличивались на 27 % по сравнению с контрольными животными и не отличались от значений соответствующих показателей 6-месячных животных. Другой группе исследователей также удалось показать на животной модели положительное влияние на возрастное снижение массы и функции мышечной ткани сверхобразования гена IGF-IEa (который авторы статьи называют m.IGF-I), которой удалось добиться путем скрещивания трансгенных мышей (Musaro et al., 2001). В возрасте 6 месяцев диаметр миофибрилл у трансгенных животных составлял 32 мкм по сравнению с 18 мкм у диких животных. Вместе с тем гипертрофия затрагивала преимущественно быстро-сокращающиеся мышечные волокна (46 мкм у трансгенных животных и 32 мкм у обычных животных), тогда как медленносокращающиеся волокна практически не отличались от таковых в контрольной группе (16 и 18 мкм). Предполагается, что это обусловлено низким уровнем образования регуляторной кассеты MLC (1/3 локус) в медленносокращающихся мышечных волокнах. При старении трансгенных животных мышечная масса сохранялась практически без изменений до 20-месячного возраста, хотя у диких животных наблюдалась заметная атрофия мышечной ткани. Эти эксперименты с генетически модифицированными животными показывают, что локальный ИФР-I может быть важным фактором в предотвращении возрастного снижения массы мышечной ткани. Так, на модели мышей, у которых путем перерезания сухожилия увеличивали нагрузку на камбаловидную и подошвенную мышцы, было проведено изучение возрастных различий в ответном увеличении локального уровня изоформ ИФР-1 (Owino et al., 2001). Исследовали животных разного возраста (4, 12, 24 месяца) через 5 суток после перерезания сухожилия. У молодых животных в мышцах, подвергавшихся повышенной нагрузке, наблюдалось увеличение уровня мРНК МФР почти па 1200 % по сравнению с мышцами контрольной конечности, в то же время у старых животных это изменение было заметно меньше и составляло всего 500 %. Наблюдалось также увеличение уровня изоформы IGF-IEa, однако в этом случае заметных возрастных различий не выявлено. В проведенных недавно исследованиях изменений уровня изоформ ИФР-I под влиянием физической нагрузки у человека (Hamced et al., 2003а), у лиц старшего возраста по сравнению с молодыми людьми возрастание МФР вскоре после одноразового выполнения силовых упражнений для мышц — разгибателей колена было меньше. В то же время выполнение программы силовой тренировки продолжительностью 10 недель (3 раза в неделю) приводит к повышению общего уровня ИФР-I в мышцах пожилых людей (Singh et al., 1999). Было также показано, что такая программа тренировочных занятий может вызывать у лиц старшего возраста увеличение уровня образования в мышцах всех трех вариантов ИФР-I в результате альтернативного синтеза (IGF-IEa, IGF-IEb и МФР) (Hamced et al., 2004). Интересно, что МФР характеризовался наиболее заметным повышением уровня (см. рис. 14.2). Подобная реакция вне всяких сомнений отображает сохранение способности мышц к гипертрофии в ответ на выполнение силовых упражнений даже у лиц старшего возраста.
== Механозависимый фактор роста, миосателлитоциты и повреждения мышечной ткани ==
Миосателлитоциты или клетки-спутники скелетной мышцы были впервые описаны в 1961 г. (Маиго, 1961). Сейчас уже установлено, что эти клетки обеспечивают постнатальный рост мышечной ткани (Moss, Leblond, 1970; Schultz, 1996), а также принимают участие в регенерации мышечных волокон после локальных травм (Grounds, 1998). В норме в зрелом возрасте при отсутствии травм миосателлитоциты находятся в спокойном состоянии и обычно располагаются сразу под базальной пластинкой. При активации в этих клетках происходит образование М-кадхерина (M-cad) (Borncmann, Schmalbruch, 1994; Irintchcv et al., 1994), а также начинается образование миогенных факторов, в частности c-met, MyoD и myf5, а позднее и миогенина (Cornelison, Wold, 1997; Beauchamp et аЦ 2000; Qu-Petersen et al., 2002). Происхождение миосателлитоцитов пока остается неясным, поскольку считается, что они представляют собой остаточные миобласты (см. обзор Seale, Rudnicki, 2000). Вместе с тем накапливаются данные, что они могут брать свое начало также от плюринотентниых стволовых клеток, происходящих от клеток-предшественников сосудистой сети (Qu-Petersen ct al., 2002). Показано, что плюрипотентные стволовые клетки из костного мозга (Ferrari et al., 1998), а также эпидермальные клетки (Руе, Watt, 2001) при помещении в дистрофическую мышцу способны приобретать фенотип мышечного волокна.
Установлено, что даже в нормальной мышце время от времени происходят местные повреждения (Wernig et al., 1990), однако при определенных заболеваниях, например мышечных дистрофиях, мышечные волокна подвержены повреждениям гораздо сильнее, особенно в области мембраны (Cohn, Campbell, 2000). Сократительный аппарат мышечных волокон также может получать повреждения при эксцентрических сокращениях, т. с. при активации мышцы в растянутом состоянии. Следует отметить, что усилие, генерируемое при активации мышцы в сочетании с растягиванием, превосходит по величине даже усилие максимального изометрического сокращения. В активированном мышечном волокне саркомеры могут растягиваться в стороны с таким усилием, что зона перекрывания актиновых и миозиновых филаментон просто исчезает; это и приводит к повреждению (Lieber, Friden, 1999).
Во время регенерации скелетной мышцы у молодых крыс после травмы, индуцированной ишемией или миотоксином, наблюдается повышение образования ИФР-1 (Jennische, Hansson, 1987; Jennische et al., 1987; Edwall et al., 1989), которое постепенно сходит на нет на 15-й день восстановления (Marsh et al., 1997). Впервые было проведено исследование изменений ИФР-1, IGF-IEa и МФР под влиянием подобных стимулов, а также установлена их взаимосвязь с активацией клеток-спутников (стволовых) in vivo (Hill, Goldspink, 2003). Результаты этих экспериментов, в которых повреждение мышечных волокон индуцировали с использованием бупивакаина, демонстрируют всплеск образования мРНК IGF-IEa, который достигал максимума на 11-й день и затем снижался практически до того же уровня, который наблюдался у контрольных животных. Однако усиление экспрессии мРНК МФР происходило намного раньше, она достигала пика па 4-й день после инъекции бупивакаипа и затем постепенно снижалась. После механической травмы максимальный уровень
образования мРНК МФР наблюдался даже еще раньше. Похоже, что в обоих случаях — при индуцированной миотоксином и при вызванной механической активностью травмах — наблюдается однотипный временной характер экспрессии различных вариантов ИФР-1, а именно образования МФР достигает максимума раньше, чем IGF-IEa. Эти временные различия в образовании двух мышечных мРНК ИФР-1 были описаны и у крыс после начала выполнения двигательной активности силовой направленности (Haddad, Adams, 2002). Экспрессия M-cad при оценке как по уровню мРНК, так и по белку достигала своего пика раньше IGF-IEa, поэтому маловероятно, что системный IGF-IEa принимает участие в первоначальной активации клеток-спутников. Однако на основании этих данных невозможно сказать, не являются ли они следствием увеличения количества миосателлитоцитов, поскольку показано, что в этих клетках в состоянии покоя обнаруживается некоторое количество M-cad (Rosenblatt et al., 1994). Тем не менее они свидетельствуют о существенном увеличении M-cad, независимо от того, связано ли это с повышением образования в существующих клетках-спутниках или обусловлено увеличением их количества, либо одновременно обоими факторами.
Из МФР и IGF-IEa в результате образуется один и тот же зрелый белок, последовательность которого кодируется высококонсервативными 3 и 4 эк-зонами гена ИФР-1. Последовательности, кодируемые этими экзонами, присутствуют во всех известных вариантах альтернативного синтеза ИФР и кодируют компонент, отвечающий за связывание с рецептором ИФР-1. Механизм внеклеточного эндопротеолиза прогормона ИФР-1 приводит к образованию одного и того же зрелого белка (Gilmour, 1994), даже несмотря на то, что различные варианты ИФР-1 имеют разные З'-структуры, в том числе и Е-компонент. Было высказано предположение, что предшественники ИФР-1 могут быть плюрипотентными, как и в случае прогормона проопиомеланокортина и проглюкагона (Siegfried et al., 1992). Следует отметить, что синтетический пептид, полученный из Е-компонента IGF-IEb крысы, способен индуцировать пролиферацию эпителиальных клеток (Siegfried et al., 1992). Стимуляция ростовых процессов изолированным Е-компонентов МФР и его роль в качестве самостоятельного ростового фактора подтверждается проведенными недавно экспериментами на клеточных культурах, в которых было показано, что стабильная трансфекция клеток МФР стимулирует пролиферацию миобластов и подавляет их дифференцировку. Добавление синтетического белка МФР либо среды, на которой выращивались трансфецированные МФР клетки, к нормальным С2С12 клеткам также приводило к ингибированию их дифференцировки. Тем не менее эффект ингибирования имел обратимый характер и пропадал после замены среды на свежую. В то же время в позитивных клопах клеток печени, трансфецированных системным ИФР-1 (IGF-IEa), происходило формирование мышечных волокон. Такая же картина под влиянием этой изоформы ИФР-I наблюдалась и в нормальных клетках: у них отмечалось замедление роста и формирование мышечных волокон. Особый интерес вызывают результаты экспериментов, в которых к культуре мышечных клеток добавляли антитела к рецептору ИФР-I. При этом не происходило угнетения пролиферации клеток индуцированного МФР, в то время как стимулирующий эффект ИФР-I на увеличение клеточной массы и формирование мышечных волокон был заметно ослаблен. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что МФР помимо сигнальной системы рецептора ИФР-I активирует также и другие сигнальные пути (Yang, Goldspink, 2002).
Результаты этих исследований позволяют еще раз убедиться в комплексном участии системы ИФР-I в процессах восстановления мышечной ткани после повреждений. Как показано, IGF-IEa и МФР вырабатываются функционально активной мышечной тканью у грызунов и человека и являются позитивными регуляторами гипертрофии мышц (МсКоу et al., 1999; Goldspink, 2001; Owino et al., 2001; Hameed et al., 2003). Однако, как отмечалось выше, изменения уровня МФР представляют собой срочный ответ, в то время как IGF-IEa обладает замедленным действием и оказывает свои эффекты на поздних стадиях регенерации. При сравнении механического повреждения и повреждения, индуцированного миотоксином, становится очевидным, что в обоих случаях происходит относительно быстрая экспрессия МФР, хотя теперь уже может показаться, что этот ростовой/регенеративный фактор получил свое название “механозависимый” по ошибке. Однако даже в случае повреждения мышц миотоксином остается вероятность того, что поврежденная ткань подвергается повышенной механической нагрузке. Известно также, что ткани после повреждения отекают, что приводит к одному и тому же клеточному ответу. Поскольку образование аутокринного варианта альтернативного синтеза ИФР-I МФР предшествует активации миосателлитоцитов, вполне вероятно, что именно эта форма ростового фактора, а не системный IGF-IEa, имеет отношение к активации клеток-спутников. Это предположение согласуется с результатами, показывающими, что в дистрофических мышцах нормальная экспрессия МФР нарушена (Goldspink, 1996), а у пожилых людей ответные изменения уровня мРНК МФР после механической нагрузки заметно ослаблены (Owino et al., 2001). В обоих этих ситуациях, которые характеризуются нарушением восстановительных процессов в мышечной ткани, наблюдается недостаток активных миосател-
литоцитов. В настоящее время проводятся дальнейшие эксперименты, направленные на изучение экспрессии этих двух изоформ ИФР-I, а также активации миосателлитоцитов в молодых и старых мышцах после терапевтического применения МФР и IGF-IEa с целью предотвращения утраты мышечной массы.
== Заключение ==
Становится все более очевидным, что адаптация мышечной ткани к значительным физическим нагрузкам, как и ее реакция на повреждения, вызванные сократительными процессами, происходит на локальном уровне с участием факторов роста и репарации, которые образуется здесь же, в периферических тканях. Семейство ИФР-I включает представителей, которые выполняют в процессах роста и восстановления различные функции. Образование различных изоформ ИФР-I, обладающих разными биологическими функциями, из одного и того же гена происходит с помощью сложного механизма — альтернативного синтеза. Изучение функций этих изоформ ИФР-I, а также их возможного взаимодействия с другими регуляторными процессами, протекающими в мышечной ткани (например, с участием тестостерона, миостатина, убиквитина и др.) поможет оптимизировать тренировочный режим спортсменов. Более того, понимание сигнальных процессов, которые запускаются под воздействием физической тренировки, также предоставит нам средства для разработки более эффективных методов тестирования экзогенных стимуляторов, применяемых в качестве допинга.
=== Благодарности ===
Работа была выполнена при поддержке фантов Фонда “Wellcome Trust”, Всемирного антидопингового агентства (WADA) и гранта ЕС (PENAM) для изучения влияния физических упражнений, включая травмы мышечной ткани.
== Литература ==
*Adams, G.R. (2002) Invited review: autocrine/paracrine IGF-1 and skeletal muscle adaptation. Journal of Applied Physiology 93, 1159-1167.
*Adams, G.R. & Haddad, F. (1996) The relationships among IGF-1, DNA content, and protein accumulation during skeletal muscle hypertrophy. Journal of Applied Physiology 81, 2509—2516. Adams, G.R. & McCue, S.A. (1998) Localized infusion of IGF-I results in skeletal muscle hypertrophy in rats. Journal of Applied Physiology 84, 1716-1722.
*Awede, B., ThissenJ., Gailly, P. & Lebacq, J. (1999) Regulation of IGF-I, IGFBP-4 and IGFBP-5 gene expression by loading in mouse skeletal muscle. FEBS Letters 461, 263—267.
*Baker, J., Liu, J.P., Robertson, E.J. & Efstratiadis, A. (1993) Role of insulin-like growth factors in embryonic and postnatal growth. Cell 75, 73—82.
*Bamman, M.M., Shipp, J.R., Jiang, J. et al. (2001) Mechanical load increases muscle IGF-I and androgen receptor mRNA concentrations in humans. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism 280, E383-E390.
*Barton-Davis, E.R., Shoturma, D.I., Musaro, A., Rosenthal, N. & Sweeney, H.L. (1998) Viral mediated expression of insulin-like growth factor I blocks the aging-related loss of skeletal muscle function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, 15 603 — 15 607.
*Baumann, G. (1991) Growth hormone heterogeneity: genes, isohormones, variants, and binding proteins. Endocrine Itariews 12(4), 424-449.
*Beauchamp, J.R., Heslop, L., Yu, D.S. et al (2000) Expression of CD34 and Myf5 defines the majority of quiescent adult skeletal muscle satellite cells. Journal of Cell Biology 151, 1221 — 1234.
*Beshyah, S.A., Freemantle, C, Thomas, E. & Johnston, D.G. (1995) Comparison of measurements of body composition by total body potassium, bioimpedance analysis, and dual-energy X-ray absorptiometry in hypopituitary adults before and during growth hormone treatment. American Journal of Clinical Nutrition 61, 1186— 1194.
*Blundell, T.L., Bedarkar, S. & Humbel, R.E. (1983) Tertiary structures, receptor binding and antigenicity of insulin like growth factors. Federation Proceedings 42, 2592 — 2597.
*Bodine, S.C., Stitt, T.N., Gonzalez, M. et al. (2001) Akt/mTOR pathway is a crucial regulator of skeletal muscle hypertrophy and can prevent muscle atrophy in vivo. Nature Cell Biology 3, 1014— 1019.
*Boes, М., Booth, B.A., Sandra, A. et al. (1992) Insulin-like growth factor binding protein (IGFBP)4 accounts for the connective tissue distribution of endothelial cell IGFBPs perfused through the isolated heart. Endocrinology 131, 327 — 330.
*Bomemann, A. & Schmalbruch, H. (1994) Immunocytochemistry of M-cadherin in mature and regenerating rat muscle. Anatomical Records 239, 119—125.
*Chew, S.L., Lavender, P., Clark, A.J. & Ross, R.J. (1995) An alternatively spliced human insulin-like growth factor-I transcript with hepatic tissue expression that diverts away from the mitogenic IBE1 peptide. Endocrinology 136, 1939—1944.
*Clemmons, D.R., Busby, W., Clarke, J.B. et al. (1998) Modifications of insulin-like growth factor binding proteins and their role in controlling IGF actions. Endocrine Journal 45 (suppl.), S1-S8.
*Cohn, R.D. & Campbell, K.P. (2000) Molecular basis of muscular dystrophies. Muscle and Nerve 23, 1456—1471.
*Coleman, M.E., DeMayo, F., Yin, K.C. et al. (1995) Myogenic vector expression of insulin-like growth factor I stimulates muscle cell differentiation and myofiber hypertrophy in transgenic mice. Journal of Biological Chemistry 270, 12 109—12116.
*Cornelison, D.D. & Wold, B.J. (1997) Single-cell analysis of regulatory gene expression in quiescent and activated mouse skeletal muscle satellite cells. Developmental Biology 191, 270—283.
*Criswell, D.S., Booth, F.W., DeMayo, F. et al. (1998) Overexpression of IGF-I in skeletal muscle of transgenic mice does not prevent unloading-induced atrophy. American Journal of Physiology 275, E373-E379.
*Cuneo, R.C., Salomon, F., Wiles, CM., Hesp, R. & Sonksen, P.H. (1991) Growth hormone treatment in growth hormone-deficient adults. I. Effects on muscle mass and strength. Journal of Applied Physiology 70, 688 — 694.
*Czerwinski, S.М., Martin, J.M. & Bechtel, PJ. (1994) Modulation of IGF mRNA abundance during stretch-induced skeletal muscle hypertrophy and regression. Journal of Applied Physiology 76, 2026-2030.
*Damon, S.E., Haugk, K.L., Swisshelm, K. & Quinn, L.S. (1997) Developmental regulation of Mac25/insulin-like growth factor-binding protein-7 expression in skeletal myogenesis. Experimental Cell Research 237, 192-195.
*Daughaday, W.H. & Reeder, C. (1966) Synchronous activation of DNA synthesis in hypophysectomized rat cartilage by growth hormone. Journal of Laboratory and Clinical Medicine 68, 357 — 368.
*Daughaday, W.H., Hall, K., Raben, M.S. et al. (1972) Somatomedin: proposed designation for sulphation factor. Nature 235, 107.
*DeVol, D.L., Rotwein, P., Sadow, J.L., Novakofski, J. & Bechtel, P.J. (1990) Activation of insulin-like growth factor gene expression during work-induced skeletal muscle growth. American Journal of Physiology 259, E89-E95.
*De Vroede, M.A., Romanus, J.A., Standaert, M.L. etal. (1984) Interaction of insulin-like growth factors with a nonfusing mouse muscle cell line: binding, action, and receptor down-regulation. Endocrinology 114, 1917—1929.
*Duclos, M.J., Wilkie, R.S. & Goddard, C. (1991) Stimulation of DNA synthesis in chicken muscle satellite cells by insulin and insulin-like growth factors: evidence for exclusive mediation by a type-I insulinlike growth factor receptor. Journal of Endocrinology 128, 35—42.
*Edwall, D., Schalling, М., Jennische, E. & Norstedt, G. (1989) Induction of insulin-like growth factor I messenger ribonucleic acid during regeneration of rat skeletal muscle. Endocrinology 124, 820-825.
*Ewton, D.Z., Falen, S.L. & Florini, J.R. (1987) The type II insulin-like growth factor (IGF) receptor has low affinity for IGF-I analogs: pleiotypic actions of IGFs on myoblasts are apparently mediated by the type I receptor. Endocrinology 120, 115 — 123.
*Ferrari, G., Cusella-De Angelis, G., Coletta, M. et al. (1998) Muscle regeneration by bone marrow7derived myogenic progenitors. Science 279, 1528-1530.
*Florini, J.R., Ewton, D.Z. & Coolican, S.A. (1996) Growth hormone and the insulin-like growth factor system in myogenesis. Endocrine Reviews 17, 481—517.
*Gilmour, R.S. (1994) The implications of insulin-like growth factor mRNA heterogeneity. Journal of Endocrinology 140, 1 —3.
*Goldspink, G. (1996) Muscle growth and muscle function: a molecular biological perspective. Research in Veterinary Science 60, 193 — 204.
*Goldspink, G. (2001) Method of treating muscular disorders. United States Patent No: US 6 221 842 Bl.
*Goldspink, G. & Yang, S.Y. (2001) Method of treating muscular disorders. United States Patent No: 6 221 842 Bl.
*Goldspink, G., Scutt, A., Loughna, P.T. et al. (1992) Gene expression in skeletal muscle in response to stretch and force generation. American Journal of Physiology 262, R356-R363.
*Green, H., Morikawa, M. & Nixon, T. (1985) A dual effector theory of growth-hormone action. Differentiation 29, 195—198.
*Grounds, M.D. (1998) Age-associated changes in the response of skeletal muscle cells to exercise and regeneration. Annals of the New York Academy of Sciences 20(854), 78—91.
*Haddad, F. & Adams, G.R. (2002) Selected contribution: acute cellular and molecular responses to resistance exercise. Journal of Applied Physiology 93, 394—403.
*Hameed, M, Orrell, R.W., Cobbold, М., Goldspink, G. & Harridge, S.D. (2003a) Expression of IGF-I splice variants in young and old human skeletal muscle after high resistance exercise. Journal of Physiology 547, 247—254.
*Hameed, М., Toft, A.D., Pedersen, B.K., Harridge, S.D. & Goldspink, G. (2003b) The effects of eccentric exercise on IGF-I isoform expression in the muscle of young and elderly people. Journal of Muscle Research and Cell Motility 24, 323—386.
*Hameed, М., Lange, K.H., Andersen, H., Schjerling, P., Kjaer, M, Harridge, S.D.R. & Goldspink, G. et al. (2004) The effect of recombinant human growth hormone and resistance training on IGF-I mRNA expression in the muscles of elderly men. Journal of Physiology 15(1), 231 —240.
*Hellsten, Y., Hansson, H.A., Johnson, L., Frandsen, U. & Sjodin, B. (1996) Increased expression of xanthine oxidase and insulin-like growth factor I (IGF-I) immunoreactivity in skeletal muscle after strenuous exercise in humans. Acta Physiologica Scandinavica 157, 191-197.
== Роль МРФ и других вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза, в поддержании объема и гипертрофии мышечной ткани ==
Методы молекулярной биологии существенно изменили наши взгляды на гормоны и их функцию. Классическое определение гормона — “химическое вещество, вырабатываемое специализированной железой и выделяемое в кровь, с которой оно переносится к различным тканям организма, стимулируя в них специфическую физиологическую реакцию". Сегодня нам уже известно о том, что гормоны или факторы вырабатываются во многих тканях организма, а некоторые из них оказывают аутокринный или паракриный эффект. Примером является система [[Инсулиноподобный фактор роста (научный обзор)|инсулиноподобного фактора роста I]] ([[ИФР-1]]) — семейства различных форм ИФР-1, каждая из которых обладает определенной биологической активностью. Они — продукт альтернативного синтеза гена IGF-I, экспрессия которого происходит под влиянием разнообразных стимулов. К настоящему времени осуществлена расшифровка последовательности генома человека и установлено, что он содержит в своем составе около 40 тыс. различных генов. Наряду с этим известно, что количество различных белков превышает это число, из чего следует, что для обеспечения такого фенотипического разнообразия часть генов должна давать белковые продукты, образующиеся в результате альтернативного синтеза мРНК. Ген ИФР, по-видимому, происходит от единственного гена инсулиноподобного белка, который содержатся у позвоночных. Похожий ген инсулиноподобного белка обнаружен в геноме нематоды C.elegans, а также у представителя хордовых — амфиокса, который связан родственными связями с общим предком позвоночных. В ходе эволюции позвоночных происходила дупликация гена, вследствие которой появились гены инсулина, ИФР-1 и ИФР-II. Эксперименты на C.elegans показали, что предковый инсулиноподобный белок предотвращает клеточную смерть и значительно продлевает срок жизни этой нематоды. Данная регуляторная система является, однако, еще более многогранной, поскольку при транскрипции генов инсулиноподобных факторов роста путем альтернативного синтеза могут образовываться различные мРНК и, соответственно, различные белки, обладающие различной биологической активностью.
ИФР-1, который первоначально называли соматомедином, рассматривался в качестве общего фактора роста, вырабатываемого печенью под влиянием [[Соматотропин|соматотропного гормона]] (СТГ). Позднее стало очевидным, что он содержатся в большинстве тканей организма и представлен различными молекулярными формами, каждая из которых оказывает специфическое воздействие.
== Система CIT—ИФР-1 ==
Гипотеза соматомедина возникла в 1950-х годах как результат первых попыток объяснить регуляцию соматического роста гипофизарным соматотропным гормоном. Было высказано предположение, что этот гормон способствует росту тканей-мишеней не прямым путем, а опосредовано, оказывая на них воздействие с участием промежуточных веществ (Daughaday, Reeder, 1996). Позднее был принят термин “соматомедин” (Daughaday et al., 1972), отражавший стимулирующее влияние этих веществ на процессы роста, которые в последующем были идентифицированы и названы [[Инсулиноподобный фактор роста|инсулиноподобными факторами роста]] (Rinderknccht, Humbel, 1978; Klapper et al., 1983). Однако в 1985 г. Грином с соавторами была выдвинута “гипотеза двойственного действия” (“dual effector hypothesis", Green et al., 1985), согласно которой СТГ оказывал непосредственное влияние на периферические ткани, без участия ИФР-1, а также стимулировал выработку ИФР-1 на локальном уровне. Сегодня известно, что одной из основных функций СТГ является стимуляция секреции ИФР-1 в печени, и кроме того, гормон роста стимулирует формирование тройного ИФР-связывающего комплекса, который обеспечивает стабильность ИФР-1 в сыворотке крови и содержит ИФР-связывающий белок (IGFBP-3) и кислотно-лабильную субъединицу (ALS). Секреция СТГ происходит в соматотропных клетках, расположенных в [[Передняя доля гипофиза|передней доле гипофиза]] (аденогипофизе) и имеет волнообразный характер. Самостоятельное функциональное воздействие СТГ на периферические ткани заключается в анаболическом эффекте на биосинтез белка (увеличение синтеза ДНК, РНК и белка), стимуляции роста хрящевой ткани и се кальцификации, стимуляции обменных процессов с использованием жиров и их расщепления в процессах энергообмена. Предполагается, что индуцированное физической нагрузкой повышение уровня СТГ оказывает прямое или опосредованное влияние на многие процессы соматического роста, связанные с формированием тканей (см. обзор Nindl et al., 2003).
Вне всяких сомнений важность функций, выполняемых системой СТГ-ИФР-1 в процессах постнатального роста и развития, в подростковом периоде уровень этих гормонов в организме достигает своего максимального значения. Вместе с тем с возрастом происходит последующее снижение их содержания в крови, столь существенное, что пожилых людей можно считать частично дефицитными по СТГ (Rudman et al., 1981). Взаимосвязь между возрастными изменениями функции СТГ-ИФР-1, а также снижением мышечной массы и силы стала предметом интенсивных исследований. У молодых лиц зрелого возраста с дефицитом СТГ применение рекомбинантного гормона роста человека сопровождалось положительными изменениями мышечной массы и функций (Cunco et al., 1991). В другом исследовании лиц зрелого возраста с дефицитом СТГ в организме в течение длительного времени подвергали лечению с применением СТГ, при этом наблюдалось не только увеличение мышечной силы, по и сокращение массы жировой ткани (Beshyah et al., 1995). Эти результаты послужили основой для убежденности в том, что терапия с применением рекомбинантного СТГ сможет принести пользу и лицам старшего возраста с дефицитом СТГ и ИФР-1. Однако исследования, направленные на изучение совместных эффектов применения СТГ и силовой тренировки у лиц зрелого (Yarasheski et al., 1992) и старшего возраста (Yarasheski et al., 1995), показали, что уровень процессов биосинтеза белка в организме при выполнении силовых упражнений не изменялся в случае применения СТГ. Более того, у лиц старшего возраста также наблюдались изменения мышечной массы и функций, которые имели сходный характер в обеих группах исследованных лиц (Lange et al., 2002). Следует отметить, что в исследованиях с применением рекомбинантного СТГ, вероятнее всего, использовали изоформу гормона с молекулярной массой 22 кДа, которая преобладает в составе СТГ сыворотки крови. Однако в крови обнаружены также и другие изоформы гормона общим количеством более 100 (Baumann et al., 1991), функции которых пока не установлены. Роль СТГ и ИФР-1 в крови, в частности в адаптации мышечной ткани в зрелом возрасте, также остается неясной. Возможно, что значение системных ростовых факторов для гипертрофии мышц относительно невелико. Например, в одной из работ было показано, что мышцы крыс с удаленным гипофизом, подвергавшиеся физической нагрузке, сохраняли способность к гипертрофии, несмотря на существенно сниженный системный уровень ИФР-1 (Adams, Haddad, 1996). Эти результаты в сочетании с простым наблюдением того, что гипертрофия отмечается только в мышцах, подвергающихся физической нагрузке, подчеркивает важность местных систем ИФР-1 для адаптивных изменений мышц.
== Экспрессия вариантов ИФР-1 в мышечной ткани ==
Мышцы могут быть стимулированы к быстрому росту при воздействии на них физической нагрузки; электрическая стимуляция мышцы, удерживаемой в растянутом состоянии, также способствует как удлинению мышцы за счет добавления новых последовательных саркомеров в волокне, так и увеличению ее поперечного сечения за счет добавления саркомеров, расположенных параллельно существующим (Gold-spink et al., 1992). Этот подход в сочетании с использованием полимеразной цепной реакции с обратной транскриптазой (RT—PCR) со специфическими праймерами обнаружил две различные мРНК (Yang ct al., 1996), последующее клонирование и секвенирование которых позволило идентифицировать их как продукты транскрипции гена IGF-I, образовавшиеся в результате альтернативного синтеза (Yang et al., 1996). Один из них — IGF-IEa был также обнаружен в покоящейся мышце и соответствует транскрипту, экспрессия которого происходит в печени. Второй, не обнаруженный в покоящейся мышце — это IGF—IEb.
Применение стандартной терминологии, сформировавшейся в ходе исследований ИФР-1 в печени, для других тканей является довольно проблематичным и поэтому варианту ИФР-1, обнаруженному в мышцах, было дано название [[Механический фактор роста|механический фактор роста]], или МФР (mechano growth factor, MGF), которое отражает его выраженную регуляцию механическими стимулами (Yang et al., 1996). От обычной изоформы ИФР-1, синтез которой происходит в печени, этот вариант отличается аминокислотной последовательностью участка на карбоксильном конце белка. Дополнительная проблема связана с тем, что МФР может рассматриваться как IGF-Ib у крысы и как IGF-Ic в соответствии с классификацией, основанной на исследовании клеток гематомы (Chew et al., 1995), у человека. В мышцах человека был также обнаружен дополнительный транскрипт, получивший название IGF-lb (Hameed et al., 2004), который, однако, отличается от IGF-lb крысы. Таким образом, становится очевидным, что несмотря на определенное сходство вариантов ИФР-1, экспрессирующихся в мышцах, и изоформ печени их следует характеризовать отдельно.
== Механический фактор роста ==
Кроме зависимости экспрессии МФР от механической активности мышцы, было отмечено, что Е-компонент этого фактора содержит вставку, которая изменяет открытую рамку считывания. Аминокислоты кодируются комплексами нуклеотидных оснований и поэтому любая вставка, длина которой не кратна 3, будет изменять расположенную за ней кодирующую структуру. У крыс обнаружена вставка длиной 52 пары нуклеотидов, а у человека — 49 пар нуклеотидов. Это имеет важные функциональные последствия, поскольку структура на З'-конце мРНК кодирует различные пептидные структуры на карбоксильном конце белковой молекулы, которые отвечают за ее узнавание связывающими белками. Кроме того, в случае МФР структура на С-конце молекулы (которую кодируют 5-й и 6-й экзоны) действует как другой фактор роста, соединенный с пептидом, который связывается с рецептором ИФР-1 (которую кодируют 3-й и 4-й экзоны). Показано, что изолированный Е-компонент индуцирует деление одноядерных миобластов и, следовательно, активирует спутничные (стволовые) мышечные клетки, принимающие участие в гипертрофии и восстановлении мышц (Yang, Goldspink, 2002). МФР не гликозилируется и существуют доказательства того, что в свободном виде, т. е. вне комплекса со связывающим белком, который может иметь внутриклеточную локализацию, продолжительность его существования очень коротка, поэтому МФР может рассматриваться как аутокринный/паракринный или местный ростовой фактор, который вырабатывается в периферических тканях в ответ на механические стимулы и оказывает свое воздействие на те мышечные волокна, в которых он вырабатывается. Таким образом, МФР является сигнальной молекулой, занимающей важное место в локальной регуляции [[Рост мышц|роста мышечной ткани]].
== Активные мышцы вырабатывают системный ИФР-1 ==
Как отмечалось выше, IGF-IEa также экспрессируется в скелетной мышце и в ряде других тканей. По своей последовательности он похож на основную изоформу, вырабатываемую в печени, что позволяет предполагать наличие у него системного действия. Вместе с тем в мышцах происходит экспрессия, по крайней мере, двух главных связывающих белков системной формы ИФР-1, которая подобно экспрессии IGF-IEa имеет тенденцию к усилению под действием физической нагрузки. Если IGF-IEa, вырабатываемый мышцами, образует комплексы с этими связывающими белками в межклеточном матриксе и в сыворотке, тогда можно ожидать, что он будет оказывать больший эффект на те мышцы, которые его продуцировали, по сравнению со всеми остальными, а его действие может рассматриваться как аутокринное и паракринное, а также эндокринное.
Кроме различий в структуре С-концевого участка молекулы, МФР отличается от IGF-IEa и по кинетике экспрессии. Было показано, что у крыс в ответ на упражнения силовой направленности экспрессия мРНК МФР происходит раньше, чем мРНК IGF-IEa (Haddad, Adams, 2002). Эти результаты подтверждаются также тем, что у крыс после повреждения мышечной ткани волнообразная секреция МФР происходит па протяжении нескольких дней, в то время как повышенный уровень экспрессии IGF-IEa, увеличение которого наблюдается после снижения уровня МФР, сохраняется в течение более длительного срока (Hill, Goldspink, 2002).
== ИФР-1 и его варианты в мышечной ткани человека ==
При исследовании молодых мужчин, призванных в армию, после 7 дней интенсивной физической нагрузки, включавшей участие в марш-броске и учениях, у них было обнаружено увеличение иммунореактивного ИФР-1 в мышцах (Hellsten et al., 1996). В другом исследовании у лиц старшего возраста после выполнения программы силовой тренировки продолжительностью 12 недель методом иммуногистохимии в четырехглавой мышце бедра было установлено увеличение уровня ИФР-1 па 500 % (Singh et al., 1999). Программа силовой тренировки включала 3 этапа по 8 повторений упражнений для мышц — разгибателей бедра и колена с нагрузкой 80 % от определявшегося в недавнее время 1 повторного максимума (1ПМ) 3 раза в неделю. Очевидно, тип физической тренировки, когда активным мышцам приходится преодолевать значительную нагрузку, приводит к их гипертрофии. Однако исследования изменений отдельных вариантов ИФР-1 не проводились. Недавно с применением количественной оценки методом ПЦР в реальном времени (real-time PCR) был определен уровень МФР и IGF-IEa вскоре (через 2,5 ч) после однократного выполнения упражнения для мышц — разгибателей колена с высокой интенсивностью. В этом исследовании участники выполняли 10 по 6 повторений упражнения с нагрузкой 80 % 1ПМ (Hameed et al., 2003а). У молодых лиц после выполнения упражнения с отягощением наблюдалось достоверное повышение уровня мРНК МФР, однако у лиц старшего возраста никаких изменений обнаружено не было. Кроме того, в этой же временной точке ни в одной из групп изменений уровня мРНК IGF-IEa не выявлено. Эти результаты интересны тем, что они в целом согласуются с результатами экспериментов на животных, в которых было показано возрастание уровня МФР перед изменениями IGF-IEa, что свидетельствует о различной регуляции этих изоформ. Не было обнаружено никакой связи с содержанием различных изоформ тяжелых цепей миозина в составе мышечного волокна, однако заслуживает внимания тот факт, что у участника исследований с наибольшим повышением уровня МФР в мышцах экспрессировалась преимущественно изоформа тяжелой цепи миозина MHC-IIX. Упражнения с отягощениями включают концентрический и эксцентрический компоненты, и недавно появилось сообщение о повышении содержания мРНК ИФР-1 в мышцах через 48 ч после одноразового выполнения эксцентрических (но не концентрических) сокращений (Bamman et al., 2001). Нами были проведены аналогичные исследования и мы снова обнаружили через 2,5 ч после выполнения упражнений на велотренажере эксцентрического типа достоверное увеличение уровня МФР (но не IGF-Iea). Эксцентрические упражнения общей продолжительностью 60 мин заключались в педалировании па велотренажере в обратную сторону со ступенчатым изменением нагрузки: 0-6 мин - 50 %; 6-12 мин - 75 %; 12-20 мин -100%; 20-25 мин - 130%; 25-40 мин - 100%; 40—60 мин — 75 % — нагрузки, соответствующей предварительно определенной V02max при концентрическом сокращении (Hameed et al., 2003b). Таким образом, возможно, что в упоминавшейся выше работе (Bamman et al., 2001) авторы в этой более поздней временной точке обнаружили увеличение IGF-IEa, но не МФР.
Тогда как ключевая роль механической активности в регуляции локального уровня экспрессии ИФР-1 является очевидной, остается неясным вопрос о существовании какой-либо еще регуляции со стороны других гормонов, особенно СТГ. О существовании такой возможности говорят результаты проведенного недавно лонгитудинального исследования взаимосвязи между эффектами применения экзогенного СТГ и занятий силовыми упражнениями у пожилых людей. Участники исследования, возраст которых составлял 74 ± 1 год, выполняли программу занятий силовой тренировки с применением плацебо либо рекомбинантного СТГ (рСТГ), либо применяли рСТГ без занятий физическими упражнениями. Программа силовой тренировки включала три различных упражнения для мышц нижних конечностей: жим ногами, разгибание ног в коленях в положении сидя и сгибание ног в коленях в положении сидя. Занятия проходили три раза в неделю и состояли из 3—5 подходов по 8—12 ПМ для каждого упражнения. В группе лиц, применявших только рСТГ, через 5 недель приема препарата изменений уровня мРНК МФР не выявлено, при этом уровень мРНК IGF-IEa повышался на 237 %. В группе, занимавшейся выполнением силовых упражнений в течение 5 недель, наоборот, установлено значительное повышение экспрессии МФР на 163 % и в меньшей степени IGF—IEa (на 68 %). Однако в случае применения рСТГ в сочетании с занятиями физическими упражнениями повышение уровня МФР было наибольшим — 456 %. Эти данные позволяют сделать вывод, что применение экзогенного СТГ приводит к стимуляции транскрипции гена IGF-I в общем, независимо от синтеза, который приводит к появлению вариантов первичных форм ИФР-1. В отсутствие силовой тренировки в результате синтеза образуется преимущественно изоформа IGF-IEa, однако при воздействии па мышцу физической нагрузки синтез происходит таким образом, что образуется МФР.
Более того, в этом исследовании был обнаружен и клонирован еще один вариант мРНК ИФР-1 — IGF-IEb. Функции этой третьей изоформы, выделенной из мышц, пока не установлены.
== Строение ИФР-1 ==
Белки семейства ИФР-1 представлены одной полипептидной цепью примерно из 70 аминокислотных остатков. Их стртуктура является не только результатом альтернативного синтеза мРНК гена IGF-I, как и в случае [[инсулин]]а исходная структура ИФР-1 подвергается посттрансляционным изменениям. Первичная структура ИФР-1 обладает достаточным сходством с таковой проинсулина (43 % гомологии последовательности), в ее состав также входит N-концевой В-компонент, отделенный от А-компонента коротким соединительным С-компонентом. Однако в отличие от проинсулина последовательность ИФР-1 длиннее за счет размещенных на ее С-конце дополнительных компонентов D и Е (Lowe et al., 1988).
Третичная структура ИФР-1 первоначально была предсказана с помощью компьютерного моделирования. При этом в качестве основы была использовала трехмерная структура кристаллического инсулина, построенная на основании данных рентгеноструктурного анализа. Как уже отмечалось, ИФР-1 несколько длиннее инсулина, тем не менее их рецепторные компоненты обладают большим сходством и используются в качестве основы для моделирования структуры конформации белковых молекул ИФР-1 и ИФР-11. При предсказании третичной структуры ИФР-1 особенно важным фактом была консервативность цистсинового и глицинового остатков у ИФР-1 и проинсулина. В молекуле ИФР-1 также сохранен характерный гидрофобный кор инсулина: А2 Не, А16 Leu, В12 Val, В15 Leu и В24 Phe. Наиболее явные отличия между ИФР-1 и инсулином заключаются в последовательности С-компонента. Дополнительный С-концсвой участок, обеспечивающий разнообразие вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза, придает им специфические свойства, которые определяют их биологическую активность. Наряду с инсулиновым гидрофобным кором молекула ИФР-1 содержит три дисульфидных мостика, определяющих ее трехмерную структуру. Вместе с тем присутствие дисульфидных связей в молекуле ИФР-1 затрудняет искусственный химический синтез ИФР-1, поскольку для обеспечения нативной функциональной структуры и стабильности необходимо наличие всех трех S—S связей (Narhi et al., 1993).
== Клеточные эффекты ИФР-1 опосредуют клеточные рецепторы ==
Биологическая активность любого гормона зависит от способности клеток-мишеней отвечать па сигналы из внеклеточного пространства. Эту функцию обеспечивают клеточные рецепторы, а также пострецепторные механизмы. Предполагается, что молекулы ИФР-1 и ИФР-И взаимодействуют с рецептором ИФР-1 (IGF-IR), который обладает структурным и функциональным сходством с рецептором инсулина (IR), уровень которого составляет более SO % содержания аминокислотной структуры. Несмотря на такое сходство, ИФР-1 связывается с IR исключительно в фармакологических лозах. Это обусловлено главным образом различиями в степени сродства, которое у ИФР-1 для IFR-IR на два порядка выше, чем для IR. ИФР-11 помимо связывания с IFR-IR способен связываться с высокой чувствительностью с другим рецептором, имеющим название IGF-IIR.
IGF-1R представляет собой тирозин-специфическую протеинкиназу с участком связывания гормона, расположенным на внешней поверхности клеточной мембраны. Считают, что этот рецептор опосредует большую часть воздействий ИФР-1 на скелетную мышцу. Например, IGF-IR участвует в регуляции потребления аминокислот и гексоз в камбаловидной мышце крысы (Yu, Czech, 1984), мышечных клетках ВСЗН1 (De Vrocde ct al., 1984) и синтезе ДНК в миосатсллитоцитах (клетках-спутниках) цыплят (Duclos ct al., 1991). Таким образом, рецептор ИФР-1 опосредует несколько различных эффектов ИФР-1, таких, как стимуляция потребления аминокислот, пролиферация, дифференциация и подавление разрушения белков (Ewton et al., 1987).
Механизмы передачи сигнала ИФР-1 усложняются вследствие существования гибридных рецепторов, которые формируются в результате димеризации мономеров рецепторов IGF-IR и IR. Каждый гибридный рецептор содержит по одной а- и β-субъединице, которые соединены дисульфидлыми связями. В определенных условиях такие гибридные рецепторы моще превосходить по количеству гоморецепторные молекулы на поверхности клетки (см. обзор Le Roith, Roberts, 2003). Такие гибридные рецепторы IGF-IR/IR связывают с высокой степенью сродства ИФР-1, в то же время их сродство к инсулину существенно снижено. Причиной может быть способность ИФР-1 связываться с какой-либо одной а-субъединицей рецептора IGF-IR, в то время как для эффективного связывания инсулина необходимо его взаимодействие с обеими β-субъединицами рецептора IR.
Следует отметить, что среди известных мышечных ростовых факторов ИФР-1 обладает уникальной способностью стимулировать и пролиферацию и терминальную дифференциацию постмитотических мышечных клеток. Такой эффект может быть обусловлен существованием в мышечной ткани различных вариантов ИФР-1. Было также показано, что различные варианты ИФР-1 имеют различную функцию в пролиферации и дифференциации миобластов (Yang, Goldspink, 2002). Показано также, что осуществление этих различных функций альтернативных вариантов ИФР-1 происходит при участии различных рецепторов.
== ИФР-1-связывающие белки ==
Роль специфических связывающих белков в регуляции аутокринных и паракринных эффектов системы ИФР становится все более очевидной (Florini et al., 1996; Damon et al., 1997). Среди 7 описанных к настоящему моменту ИФР-связывающих белков (IGFBP) четыре (IGFBP-2, 4, 5, 6) вырабатываются различными клеточными элементами миобластов, тогда как в скелетных мышцах человека зрелого возраста происходит экспрессия только IGFBP-4, 5, 6 (Florini et al., 1996; Putzer et al., 1998). Предполагалось, что IGFBP являются элементом общей системы регуляции ИФР, однако их экспрессия в скелетных мышцах оказывает определенный эффект на удержание ИФР-1 в тканях. В свободном состоянии ИФР-1 имеет очень небольшое время существования и IGFBP рассматривались первоначально в качестве транспортных белков для переноса ИФР в системе кровообращения. Однако при экспрессии в мышечной ткани ИФР-связывающие белки модулируют эндокринное, а также локальное действие ИФР-1 (Mohan et al., 1996). Какое действие IGFBP оказывают на тканевом уровне — точно не известно, однако предполагается, что они стабилизируют ИФР-1 и увеличивают его локальную биологическую доступность (Jones, Clemmons, 1995; Mohan et al., 1996; Clemmons et al., 1998).
Показано, что после ишемической травмы происходит повышение уровня мРНК и белка ИФР-1 и IGFBP (Jcnnische, Hall, 2000). С помощью гибридизации in situ было установлено, что экспрессия IGFBP-5 происходит только в регенерирующих мышечных клетках, в то время как IGFBP-4 экспрессируется также и в соединительной ткани (Boes et al., 1992). Показано влияние механических нагрузок либо их отсутствия на регуляцию экспрессии в мышечной ткани некоторых связывающих белков. Так, например, у мыши физические нагрузки мышц приводят к увеличению экспрессии мРНК IGFBP-4 и снижению количества мРНК IGFBP-5 (Awcde et al., 1999), и наоборот, отсутствие физической нагрузки мышц приводит к снижению уровня мРНК IGFBP-5, однако не влияет на содержание мРНК IGFBP-4. Предполагается, что эти ИФР-связывающие белки опосредуют эффекты ИФР-1 с помощью регуляции концентрации этого фактора роста в свободном состоянии, а также путем конкуренции с рецепторами ИФР-1 за связывание с фактором роста (Awede et al., 1999). В настоящее время проводятся также исследования, направленные на характеристику специфических связывающих белков для МФР, которые отличаются по своим свойствам от связывающих белков других вариантов ИФР-1.
== Биологические эффекты различных вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза ==
Все виды ИФР-1, образованные в результате альтернативного синтеза, имеют одинаковый компонент связывания с рецептором, который кодируют 3-й и 4-й экзоны гена IGF-I. Этот компонент, по-видимому, и является основой для анаболических эффектов ИФР-1. Это было убедительно продемонстрировано многочисленными исследованиями in vitro, в которых было показано, что воздействие ИФР-1 приводит к увеличению диаметра мышечных клеток, подавлению деградации белков, увеличению потребления аминокислот и стимуляции биосинтеза белка (Ewton et al., 1987; Vandenburg et al., 1991; Florini et al., 1996; Semsarian et al., 1999; Bodinc ct al., 2001; Rommel et al., 2001). Образование ИФР-1 во время гипертрофии мышц было показано на нескольких моделях животных, включая гипертрофию, индуцированную растягиванием мышц. Например, у крыс гипертрофия, индуцированная тенотомией (рассечением сухожилия), сопровождалась повышением образования мРНК ИФР-1 в мышцах (Schlechter et al., 1986; Czerwinski ct al., 1994), a также трехкратным ростом мРНК ИФР-1 о камбаловидной и подошвенной мышцах у крыс в возрасте 11 — 12 недель (DeVoI et al., 1990). В последней работе для исследований были использованы крысы с удаленным гипофизом, что позволило также установить СТГ-независимый характер наблюдавшегося увеличения образования мРНК ИФР-1 в мышцах. Дальнейшие исследования, в которых использовали похожую модель функциональной нагрузки мышц у нормальных крыс и крыс с удаленным гипофизом, показали, что уровень мРНК и белка ИФР-1 повышался в мышцах еще до заметного проявления гипертрофии и оставался повышенным на протяжении всего процесса гипертрофии до 28 дней (Adams, Haddad, 1996). В другом исследовании, где использовали тренировку на тредмиле крыс с подавленной секрецией СТГ, уровень мРНК и белка ИФР-1 возрастал на 55 и 250 % соответственно (Zanconato et al., 1994). Более того, чрезмерное образование (Coleman et al., 1995) или прямая инъекция (Adams, McCuc, 1998) ИФР-1 в мышцы приводила к гипертрофии, тогда как ингибирование внутриклеточных компонентов сигнальной системы, связанной с активацией эффектов ИФР-1, позволяла предотвратить такую реакцию мышц (Bodine et al., 2001). Исследование влияния сверхэкспрессии ИФР-1 в локальных тканях на процессы атрофии мышц задней конечности, индуцированные отсутствием физической нагрузки, показали, что чрезмерное образование ИФР-1 в мышцах трансгенных мышей не позволяет предотвратить атрофию, связанную с отсутствием нагрузки (Criswell et al., 1998).
== Генетические манипуляции ИФР-1 в мышцах ==
Трансгенные мыши, у которых в организме происходит чрезмерное образование гена IGF-I, были получены в нескольких лабораториях. В первых экспериментах подобного рода, где использовали мышей с чрезмерным образованием гена СТГ, сообщалось о возрастании на 30 % мышечной массы и увеличении плотности костной ткани (Mathews et al., 1988). Вначале в этих экспериментах использовали металотионеиновый стимулятор, который при активации приводил к увеличению экспрессии ИФР-1 в большинстве тканей организма. Затем для создания трансгенных животных использовали генетические конструкции на основе регуляторных элементов, активация которых специфически происходит в мышцах, в частности стимулятора а-актина (Coleman et al., 1995). Несмотря на то что у таких мышей существенного повышения уровня ИФР-1 в сыворотке крови не происходило, у них наблюдалось существенное увеличение мышечной массы. В дальнейшем той же группой исследователей было показано, что у таких мышей по сравнению с обычными, более эффективно происходит регенерация мышц и мотонейронов (Rabinovsky et al., 2003). Трудно определить, была ли использована в этих генноинженериых экспериментах полноразмерная кДНК и содержала ли вставка структуру, взаимодействующую со связывающим белком. Важно также знать, насколько специфическим для мышечной ткани является образование ИФР-1. Обычно это определяется специфичностью регуляторной последовательности, использованной для осуществления контроля образования в генетической конструкции, которая была внедрена в трансгенное животное. Помимо животных со сверхобразованием ИФР-1, были созданы мыши с отсутствием гена IGF-I, т. е. мыши, в геноме которых не содержалось этого гена. Таким образом, у них не происходило экспрессии ни одного из вариантов ИФР-1 (Baker et al., 1993). Однако такие мыши погибали вскоре после рождения из-за недоразвитости их мускулатуры. Интересно, что результаты проведенных недавно экспериментов с использованием тканеспецифической делеции генов с применением Сге-lохР модели делеции генов поставили под вопрос роль СТГ и продуцируемого в печени ИФР-1 в контроле постнатального роста и развития (Sjogren et al., 1999; Yakar et al., 1999). С помощью этой системы гомологической рекомбинации была осуществлена специфическая делеция гена ИФР-1 в печени, при этом в остальных тканях, а именно: в сердце, мышцах, жировой ткани, селезенке и почках наблюдалась нормальная экспрессия этого гена. Эффект специфической делении гена ИФР-1 в тканях печени на рост и развитие генетически модифицированных мышей проявлялся в снижении уровня ИФР-1 в крови в возрасте 6 месяцев. Интересно, что при оценке размеров тела и массы отдельных органов не было выявлено никаких различий между нокаутными и обычными мышами. Это означает, что постнатальный рост и развитие происходят без участия ИФР-1, вырабатываемого печенью (Sjogren et al., 1999), что еще раз подчеркивает роль локальной системы ИФР-1 в этих процессах.
== Перенос генных конструкций, кодирующих различные варианты ИФР-1 ==
Открытие возможности трансфекции мышечных клеток простой внутримышечной инъекцией плазмидного вектора, содержащего структуру кДНК интересующего нас гена, предоставило возможность для лечения заболеваний, при которых наблюдается существенное снижение мышечной массы. Недавно были проведены эксперименты с использованием генетических конструкций, содержащих кДНК различных вариантов ИФР-1, образующихся в результате альтернативного синтеза, в том числе и МФР. В одном из таких экспериментов с целью определения роли МФР в функционировании мышечной ткани проводили инъекцию в мышцы нормальных мышей плазменные соединения с кДНК МФР. В результате через две недели объем мышц, в которые вводилась инъекция, увеличился на 25 % и было установлено, что это происходит за счет увеличения размера миофибрилл (Goldspink, Yang, 2001). Аналогичные эксперименты были проведены другими группами исследователей с использованием вирусных образований, содержащих кДНК варианта ИФР-1, вырабатываемого в печени (IGF-IEa). При этом также наблюдали увеличение мышечной массы менее чем на 20 %, однако для достижения такого эффекта потребовалось более 4 месяцев (Barton-Devis et al., 1998). Кроме лечения определенных заболеваний, перенос генов такого рода может быть использован и с целью злоупотребления. Использование аденовирусного содержимого для доставки генетического материала делает детекцию достаточно простой, поскольку этот вирус влияет на большинство типов клеток. В то же время плазменное соединение обнаружить гораздо сложнее, однако в настоящее время уже проводится разработка новых подходов, основанных на определении различных эффектов влияния на ген.
== Передача сигнала ИФР-1 при гипертрофии мышц ==
Какие именно сигнальные пути опосредуют эффекты ИФР-1, приводящие к гипертрофии скелетной мышцы, пока еще окончательно не выяснено, хотя предполагается, что в этом могут быть задействованы две сигнальные системы: кальциневрин/NFAT (ядерный фактор активированных T-клеток — nuclear factor of activated T-cells) (Musaro et al., 1999; Semsarian et al., 1999) и PI3-KHHa3a/Akt (Rommel et al., 2001). Дальнейшие исследования процессов гипертрофии in vitro и in vivo показали, что в стимуляции гипертрофии принимает участие не кальциневриновый сигнальный путь, а система Akt\mTOR, которая далее может активировать р70 S6 киназу (Bodinc et al., 2001; Rommel et al., 2001). Кроме того, сообщалось, что ИФР-1 в ходе этого процесса может посредством Akt ингибировать сигнальный путь кальципеврин/NFAT (Rommel et al., 2001). К сожалению, во всех исследованиях, проведенных в этом направлении, анализировали экспрессию суммарного ИФР-1 в ответ на физическую нагрузку.
== ИФР-I и саркопения ==
Старение организма сопровождается утратой мышечной массы и функции, однако механизмы, лежащие в основе этого процесса, остаются неясными. Происходит снижение уровня СТГ и ИФР-I в крови (Rudman et al., 1981), а также сокращение количества мышечных волокон (Lexell et al., 1988). Существуют доказательства роли ИФР-I в поддержании массы мышечной ткани у лиц старшего возраста и их количество постоянно увеличивается. Используя рекомбинантный аденоассоциированный вирус, содержащий стимулятор гена легкой цепи миозина (MLC1/3), кДНК ИФР-I вводили в мышцу — длинный разгибатель пальцев стопы (.extensor digitorum longvs) молодым (6 месяцев) и старым (27 месяцев) мышам (Barton-Davis et al., 1998). Это приводило к сверхобразованию ИФР-I (изоформы IGF-IEa) в этой мышце, однако не влияло на изменения уровня ИФР-I в плазме крови. Через 4 месяца после инъекции у молодых животных мышца с инъецированной кДНК ПФР-I имела в среднем на 15 % больше объем и силу по сравнению с необработанной мышцей. У старых животных после инъекции кДНК ИФР-I сила и объем мышцы через 4 месяца увеличивались на 27 % по сравнению с контрольными животными и не отличались от значений соответствующих показателей 6-месячных животных. Другой группе исследователей также удалось показать на животной модели положительное влияние на возрастное снижение массы и функции мышечной ткани сверхобразования гена IGF-IEa (который авторы статьи называют m.IGF-I), которой удалось добиться путем скрещивания трансгенных мышей (Musaro et al., 2001). В возрасте 6 месяцев диаметр миофибрилл у трансгенных животных составлял 32 мкм по сравнению с 18 мкм у диких животных. Вместе с тем гипертрофия затрагивала преимущественно быстро-сокращающиеся мышечные волокна (46 мкм у трансгенных животных и 32 мкм у обычных животных), тогда как медленносокращающиеся волокна практически не отличались от таковых в контрольной группе (16 и 18 мкм). Предполагается, что это обусловлено низким уровнем образования регуляторной кассеты MLC (1/3 локус) в медленносокращающихся мышечных волокнах. При старении трансгенных животных мышечная масса сохранялась практически без изменений до 20-месячного возраста, хотя у диких животных наблюдалась заметная атрофия мышечной ткани. Эти эксперименты с генетически модифицированными животными показывают, что локальный ИФР-I может быть важным фактором в предотвращении возрастного снижения массы мышечной ткани. Так, на модели мышей, у которых путем перерезания сухожилия увеличивали нагрузку на камбаловидную и подошвенную мышцы, было проведено изучение возрастных различий в ответном увеличении локального уровня изоформ ИФР-1 (Owino et al., 2001). Исследовали животных разного возраста (4, 12, 24 месяца) через 5 суток после перерезания сухожилия. У молодых животных в мышцах, подвергавшихся повышенной нагрузке, наблюдалось увеличение уровня мРНК МФР почти па 1200 % по сравнению с мышцами контрольной конечности, в то же время у старых животных это изменение было заметно меньше и составляло всего 500 %. Наблюдалось также увеличение уровня изоформы IGF-IEa, однако в этом случае заметных возрастных различий не выявлено. В проведенных недавно исследованиях изменений уровня изоформ ИФР-I под влиянием физической нагрузки у человека (Hamced et al., 2003а), у лиц старшего возраста по сравнению с молодыми людьми возрастание МФР вскоре после одноразового выполнения силовых упражнений для мышц — разгибателей колена было меньше. В то же время выполнение программы силовой тренировки продолжительностью 10 недель (3 раза в неделю) приводит к повышению общего уровня ИФР-I в мышцах пожилых людей (Singh et al., 1999). Было также показано, что такая программа тренировочных занятий может вызывать у лиц старшего возраста увеличение уровня образования в мышцах всех трех вариантов ИФР-I в результате альтернативного синтеза (IGF-IEa, IGF-IEb и МФР) (Hamced et al., 2004). Интересно, что МФР характеризовался наиболее заметным повышением уровня (см. рис. 14.2). Подобная реакция вне всяких сомнений отображает сохранение способности мышц к гипертрофии в ответ на выполнение силовых упражнений даже у лиц старшего возраста.
== Механозависимый фактор роста, миосателлитоциты и повреждения мышечной ткани ==
Миосателлитоциты или клетки-спутники скелетной мышцы были впервые описаны в 1961 г. (Маиго, 1961). Сейчас уже установлено, что эти клетки обеспечивают постнатальный рост мышечной ткани (Moss, Leblond, 1970; Schultz, 1996), а также принимают участие в регенерации мышечных волокон после локальных травм (Grounds, 1998). В норме в зрелом возрасте при отсутствии травм миосателлитоциты находятся в спокойном состоянии и обычно располагаются сразу под базальной пластинкой. При активации в этих клетках происходит образование М-кадхерина (M-cad) (Borncmann, Schmalbruch, 1994; Irintchcv et al., 1994), а также начинается образование миогенных факторов, в частности c-met, MyoD и myf5, а позднее и миогенина (Cornelison, Wold, 1997; Beauchamp et аЦ 2000; Qu-Petersen et al., 2002). Происхождение миосателлитоцитов пока остается неясным, поскольку считается, что они представляют собой остаточные миобласты (см. обзор Seale, Rudnicki, 2000). Вместе с тем накапливаются данные, что они могут брать свое начало также от плюринотентниых стволовых клеток, происходящих от клеток-предшественников сосудистой сети (Qu-Petersen ct al., 2002). Показано, что плюрипотентные стволовые клетки из костного мозга (Ferrari et al., 1998), а также эпидермальные клетки (Руе, Watt, 2001) при помещении в дистрофическую мышцу способны приобретать фенотип мышечного волокна.
Установлено, что даже в нормальной мышце время от времени происходят местные повреждения (Wernig et al., 1990), однако при определенных заболеваниях, например мышечных дистрофиях, мышечные волокна подвержены повреждениям гораздо сильнее, особенно в области мембраны (Cohn, Campbell, 2000). Сократительный аппарат мышечных волокон также может получать повреждения при эксцентрических сокращениях, т. с. при активации мышцы в растянутом состоянии. Следует отметить, что усилие, генерируемое при активации мышцы в сочетании с растягиванием, превосходит по величине даже усилие максимального изометрического сокращения. В активированном мышечном волокне саркомеры могут растягиваться в стороны с таким усилием, что зона перекрывания актиновых и миозиновых филаментон просто исчезает; это и приводит к повреждению (Lieber, Friden, 1999).
Во время регенерации скелетной мышцы у молодых крыс после травмы, индуцированной ишемией или миотоксином, наблюдается повышение образования ИФР-1 (Jennische, Hansson, 1987; Jennische et al., 1987; Edwall et al., 1989), которое постепенно сходит на нет на 15-й день восстановления (Marsh et al., 1997). Впервые было проведено исследование изменений ИФР-1, IGF-IEa и МФР под влиянием подобных стимулов, а также установлена их взаимосвязь с активацией клеток-спутников (стволовых) in vivo (Hill, Goldspink, 2003). Результаты этих экспериментов, в которых повреждение мышечных волокон индуцировали с использованием бупивакаина, демонстрируют всплеск образования мРНК IGF-IEa, который достигал максимума на 11-й день и затем снижался практически до того же уровня, который наблюдался у контрольных животных. Однако усиление экспрессии мРНК МФР происходило намного раньше, она достигала пика па 4-й день после инъекции бупивакаипа и затем постепенно снижалась. После механической травмы максимальный уровень
образования мРНК МФР наблюдался даже еще раньше. Похоже, что в обоих случаях — при индуцированной миотоксином и при вызванной механической активностью травмах — наблюдается однотипный временной характер экспрессии различных вариантов ИФР-1, а именно образования МФР достигает максимума раньше, чем IGF-IEa. Эти временные различия в образовании двух мышечных мРНК ИФР-1 были описаны и у крыс после начала выполнения двигательной активности силовой направленности (Haddad, Adams, 2002). Экспрессия M-cad при оценке как по уровню мРНК, так и по белку достигала своего пика раньше IGF-IEa, поэтому маловероятно, что системный IGF-IEa принимает участие в первоначальной активации клеток-спутников. Однако на основании этих данных невозможно сказать, не являются ли они следствием увеличения количества миосателлитоцитов, поскольку показано, что в этих клетках в состоянии покоя обнаруживается некоторое количество M-cad (Rosenblatt et al., 1994). Тем не менее они свидетельствуют о существенном увеличении M-cad, независимо от того, связано ли это с повышением образования в существующих клетках-спутниках или обусловлено увеличением их количества, либо одновременно обоими факторами.
Из МФР и IGF-IEa в результате образуется один и тот же зрелый белок, последовательность которого кодируется высококонсервативными 3 и 4 эк-зонами гена ИФР-1. Последовательности, кодируемые этими экзонами, присутствуют во всех известных вариантах альтернативного синтеза ИФР и кодируют компонент, отвечающий за связывание с рецептором ИФР-1. Механизм внеклеточного эндопротеолиза прогормона ИФР-1 приводит к образованию одного и того же зрелого белка (Gilmour, 1994), даже несмотря на то, что различные варианты ИФР-1 имеют разные З'-структуры, в том числе и Е-компонент. Было высказано предположение, что предшественники ИФР-1 могут быть плюрипотентными, как и в случае прогормона проопиомеланокортина и проглюкагона (Siegfried et al., 1992). Следует отметить, что синтетический пептид, полученный из Е-компонента IGF-IEb крысы, способен индуцировать пролиферацию эпителиальных клеток (Siegfried et al., 1992). Стимуляция ростовых процессов изолированным Е-компонентов МФР и его роль в качестве самостоятельного ростового фактора подтверждается проведенными недавно экспериментами на клеточных культурах, в которых было показано, что стабильная трансфекция клеток МФР стимулирует пролиферацию миобластов и подавляет их дифференцировку. Добавление синтетического белка МФР либо среды, на которой выращивались трансфецированные МФР клетки, к нормальным С2С12 клеткам также приводило к ингибированию их дифференцировки. Тем не менее эффект ингибирования имел обратимый характер и пропадал после замены среды на свежую. В то же время в позитивных клопах клеток печени, трансфецированных системным ИФР-1 (IGF-IEa), происходило формирование мышечных волокон. Такая же картина под влиянием этой изоформы ИФР-I наблюдалась и в нормальных клетках: у них отмечалось замедление роста и формирование мышечных волокон. Особый интерес вызывают результаты экспериментов, в которых к культуре мышечных клеток добавляли антитела к рецептору ИФР-I. При этом не происходило угнетения пролиферации клеток индуцированного МФР, в то время как стимулирующий эффект ИФР-I на увеличение клеточной массы и формирование мышечных волокон был заметно ослаблен. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что МФР помимо сигнальной системы рецептора ИФР-I активирует также и другие сигнальные пути (Yang, Goldspink, 2002).
Результаты этих исследований позволяют еще раз убедиться в комплексном участии системы ИФР-I в процессах восстановления мышечной ткани после повреждений. Как показано, IGF-IEa и МФР вырабатываются функционально активной мышечной тканью у грызунов и человека и являются позитивными регуляторами гипертрофии мышц (МсКоу et al., 1999; Goldspink, 2001; Owino et al., 2001; Hameed et al., 2003). Однако, как отмечалось выше, изменения уровня МФР представляют собой срочный ответ, в то время как IGF-IEa обладает замедленным действием и оказывает свои эффекты на поздних стадиях регенерации. При сравнении механического повреждения и повреждения, индуцированного миотоксином, становится очевидным, что в обоих случаях происходит относительно быстрая экспрессия МФР, хотя теперь уже может показаться, что этот ростовой/регенеративный фактор получил свое название “механозависимый” по ошибке. Однако даже в случае повреждения мышц миотоксином остается вероятность того, что поврежденная ткань подвергается повышенной механической нагрузке. Известно также, что ткани после повреждения отекают, что приводит к одному и тому же клеточному ответу. Поскольку образование аутокринного варианта альтернативного синтеза ИФР-I МФР предшествует активации миосателлитоцитов, вполне вероятно, что именно эта форма ростового фактора, а не системный IGF-IEa, имеет отношение к активации клеток-спутников. Это предположение согласуется с результатами, показывающими, что в дистрофических мышцах нормальная экспрессия МФР нарушена (Goldspink, 1996), а у пожилых людей ответные изменения уровня мРНК МФР после механической нагрузки заметно ослаблены (Owino et al., 2001). В обоих этих ситуациях, которые характеризуются нарушением восстановительных процессов в мышечной ткани, наблюдается недостаток активных миосател-
литоцитов. В настоящее время проводятся дальнейшие эксперименты, направленные на изучение экспрессии этих двух изоформ ИФР-I, а также активации миосателлитоцитов в молодых и старых мышцах после терапевтического применения МФР и IGF-IEa с целью предотвращения утраты мышечной массы.
== Заключение ==
Становится все более очевидным, что адаптация мышечной ткани к значительным физическим нагрузкам, как и ее реакция на повреждения, вызванные сократительными процессами, происходит на локальном уровне с участием факторов роста и репарации, которые образуется здесь же, в периферических тканях. Семейство ИФР-I включает представителей, которые выполняют в процессах роста и восстановления различные функции. Образование различных изоформ ИФР-I, обладающих разными биологическими функциями, из одного и того же гена происходит с помощью сложного механизма — альтернативного синтеза. Изучение функций этих изоформ ИФР-I, а также их возможного взаимодействия с другими регуляторными процессами, протекающими в мышечной ткани (например, с участием тестостерона, миостатина, убиквитина и др.) поможет оптимизировать тренировочный режим спортсменов. Более того, понимание сигнальных процессов, которые запускаются под воздействием физической тренировки, также предоставит нам средства для разработки более эффективных методов тестирования экзогенных стимуляторов, применяемых в качестве допинга.
=== Благодарности ===
Работа была выполнена при поддержке фантов Фонда “Wellcome Trust”, Всемирного антидопингового агентства (WADA) и гранта ЕС (PENAM) для изучения влияния физических упражнений, включая травмы мышечной ткани.
== Литература ==
*Adams, G.R. (2002) Invited review: autocrine/paracrine IGF-1 and skeletal muscle adaptation. Journal of Applied Physiology 93, 1159-1167.
*Adams, G.R. & Haddad, F. (1996) The relationships among IGF-1, DNA content, and protein accumulation during skeletal muscle hypertrophy. Journal of Applied Physiology 81, 2509—2516. Adams, G.R. & McCue, S.A. (1998) Localized infusion of IGF-I results in skeletal muscle hypertrophy in rats. Journal of Applied Physiology 84, 1716-1722.
*Awede, B., ThissenJ., Gailly, P. & Lebacq, J. (1999) Regulation of IGF-I, IGFBP-4 and IGFBP-5 gene expression by loading in mouse skeletal muscle. FEBS Letters 461, 263—267.
*Baker, J., Liu, J.P., Robertson, E.J. & Efstratiadis, A. (1993) Role of insulin-like growth factors in embryonic and postnatal growth. Cell 75, 73—82.
*Bamman, M.M., Shipp, J.R., Jiang, J. et al. (2001) Mechanical load increases muscle IGF-I and androgen receptor mRNA concentrations in humans. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism 280, E383-E390.
*Barton-Davis, E.R., Shoturma, D.I., Musaro, A., Rosenthal, N. & Sweeney, H.L. (1998) Viral mediated expression of insulin-like growth factor I blocks the aging-related loss of skeletal muscle function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, 15 603 — 15 607.
*Baumann, G. (1991) Growth hormone heterogeneity: genes, isohormones, variants, and binding proteins. Endocrine Itariews 12(4), 424-449.
*Beauchamp, J.R., Heslop, L., Yu, D.S. et al (2000) Expression of CD34 and Myf5 defines the majority of quiescent adult skeletal muscle satellite cells. Journal of Cell Biology 151, 1221 — 1234.
*Beshyah, S.A., Freemantle, C, Thomas, E. & Johnston, D.G. (1995) Comparison of measurements of body composition by total body potassium, bioimpedance analysis, and dual-energy X-ray absorptiometry in hypopituitary adults before and during growth hormone treatment. American Journal of Clinical Nutrition 61, 1186— 1194.
*Blundell, T.L., Bedarkar, S. & Humbel, R.E. (1983) Tertiary structures, receptor binding and antigenicity of insulin like growth factors. Federation Proceedings 42, 2592 — 2597.
*Bodine, S.C., Stitt, T.N., Gonzalez, M. et al. (2001) Akt/mTOR pathway is a crucial regulator of skeletal muscle hypertrophy and can prevent muscle atrophy in vivo. Nature Cell Biology 3, 1014— 1019.
*Boes, М., Booth, B.A., Sandra, A. et al. (1992) Insulin-like growth factor binding protein (IGFBP)4 accounts for the connective tissue distribution of endothelial cell IGFBPs perfused through the isolated heart. Endocrinology 131, 327 — 330.
*Bomemann, A. & Schmalbruch, H. (1994) Immunocytochemistry of M-cadherin in mature and regenerating rat muscle. Anatomical Records 239, 119—125.
*Chew, S.L., Lavender, P., Clark, A.J. & Ross, R.J. (1995) An alternatively spliced human insulin-like growth factor-I transcript with hepatic tissue expression that diverts away from the mitogenic IBE1 peptide. Endocrinology 136, 1939—1944.
*Clemmons, D.R., Busby, W., Clarke, J.B. et al. (1998) Modifications of insulin-like growth factor binding proteins and their role in controlling IGF actions. Endocrine Journal 45 (suppl.), S1-S8.
*Cohn, R.D. & Campbell, K.P. (2000) Molecular basis of muscular dystrophies. Muscle and Nerve 23, 1456—1471.
*Coleman, M.E., DeMayo, F., Yin, K.C. et al. (1995) Myogenic vector expression of insulin-like growth factor I stimulates muscle cell differentiation and myofiber hypertrophy in transgenic mice. Journal of Biological Chemistry 270, 12 109—12116.
*Cornelison, D.D. & Wold, B.J. (1997) Single-cell analysis of regulatory gene expression in quiescent and activated mouse skeletal muscle satellite cells. Developmental Biology 191, 270—283.
*Criswell, D.S., Booth, F.W., DeMayo, F. et al. (1998) Overexpression of IGF-I in skeletal muscle of transgenic mice does not prevent unloading-induced atrophy. American Journal of Physiology 275, E373-E379.
*Cuneo, R.C., Salomon, F., Wiles, CM., Hesp, R. & Sonksen, P.H. (1991) Growth hormone treatment in growth hormone-deficient adults. I. Effects on muscle mass and strength. Journal of Applied Physiology 70, 688 — 694.
*Czerwinski, S.М., Martin, J.M. & Bechtel, PJ. (1994) Modulation of IGF mRNA abundance during stretch-induced skeletal muscle hypertrophy and regression. Journal of Applied Physiology 76, 2026-2030.
*Damon, S.E., Haugk, K.L., Swisshelm, K. & Quinn, L.S. (1997) Developmental regulation of Mac25/insulin-like growth factor-binding protein-7 expression in skeletal myogenesis. Experimental Cell Research 237, 192-195.
*Daughaday, W.H. & Reeder, C. (1966) Synchronous activation of DNA synthesis in hypophysectomized rat cartilage by growth hormone. Journal of Laboratory and Clinical Medicine 68, 357 — 368.
*Daughaday, W.H., Hall, K., Raben, M.S. et al. (1972) Somatomedin: proposed designation for sulphation factor. Nature 235, 107.
*DeVol, D.L., Rotwein, P., Sadow, J.L., Novakofski, J. & Bechtel, P.J. (1990) Activation of insulin-like growth factor gene expression during work-induced skeletal muscle growth. American Journal of Physiology 259, E89-E95.
*De Vroede, M.A., Romanus, J.A., Standaert, M.L. etal. (1984) Interaction of insulin-like growth factors with a nonfusing mouse muscle cell line: binding, action, and receptor down-regulation. Endocrinology 114, 1917—1929.
*Duclos, M.J., Wilkie, R.S. & Goddard, C. (1991) Stimulation of DNA synthesis in chicken muscle satellite cells by insulin and insulin-like growth factors: evidence for exclusive mediation by a type-I insulinlike growth factor receptor. Journal of Endocrinology 128, 35—42.
*Edwall, D., Schalling, М., Jennische, E. & Norstedt, G. (1989) Induction of insulin-like growth factor I messenger ribonucleic acid during regeneration of rat skeletal muscle. Endocrinology 124, 820-825.
*Ewton, D.Z., Falen, S.L. & Florini, J.R. (1987) The type II insulin-like growth factor (IGF) receptor has low affinity for IGF-I analogs: pleiotypic actions of IGFs on myoblasts are apparently mediated by the type I receptor. Endocrinology 120, 115 — 123.
*Ferrari, G., Cusella-De Angelis, G., Coletta, M. et al. (1998) Muscle regeneration by bone marrow7derived myogenic progenitors. Science 279, 1528-1530.
*Florini, J.R., Ewton, D.Z. & Coolican, S.A. (1996) Growth hormone and the insulin-like growth factor system in myogenesis. Endocrine Reviews 17, 481—517.
*Gilmour, R.S. (1994) The implications of insulin-like growth factor mRNA heterogeneity. Journal of Endocrinology 140, 1 —3.
*Goldspink, G. (1996) Muscle growth and muscle function: a molecular biological perspective. Research in Veterinary Science 60, 193 — 204.
*Goldspink, G. (2001) Method of treating muscular disorders. United States Patent No: US 6 221 842 Bl.
*Goldspink, G. & Yang, S.Y. (2001) Method of treating muscular disorders. United States Patent No: 6 221 842 Bl.
*Goldspink, G., Scutt, A., Loughna, P.T. et al. (1992) Gene expression in skeletal muscle in response to stretch and force generation. American Journal of Physiology 262, R356-R363.
*Green, H., Morikawa, M. & Nixon, T. (1985) A dual effector theory of growth-hormone action. Differentiation 29, 195—198.
*Grounds, M.D. (1998) Age-associated changes in the response of skeletal muscle cells to exercise and regeneration. Annals of the New York Academy of Sciences 20(854), 78—91.
*Haddad, F. & Adams, G.R. (2002) Selected contribution: acute cellular and molecular responses to resistance exercise. Journal of Applied Physiology 93, 394—403.
*Hameed, M, Orrell, R.W., Cobbold, М., Goldspink, G. & Harridge, S.D. (2003a) Expression of IGF-I splice variants in young and old human skeletal muscle after high resistance exercise. Journal of Physiology 547, 247—254.
*Hameed, М., Toft, A.D., Pedersen, B.K., Harridge, S.D. & Goldspink, G. (2003b) The effects of eccentric exercise on IGF-I isoform expression in the muscle of young and elderly people. Journal of Muscle Research and Cell Motility 24, 323—386.
*Hameed, М., Lange, K.H., Andersen, H., Schjerling, P., Kjaer, M, Harridge, S.D.R. & Goldspink, G. et al. (2004) The effect of recombinant human growth hormone and resistance training on IGF-I mRNA expression in the muscles of elderly men. Journal of Physiology 15(1), 231 —240.
*Hellsten, Y., Hansson, H.A., Johnson, L., Frandsen, U. & Sjodin, B. (1996) Increased expression of xanthine oxidase and insulin-like growth factor I (IGF-I) immunoreactivity in skeletal muscle after strenuous exercise in humans. Acta Physiologica Scandinavica 157, 191-197.
