Механический фактор роста (научный обзор)

Значение МФР и функции изоформ ИФР-1, которые сформированы путём альтернативного синтеза

Новейшие лабораторные методики определения уровня гормонов изменили взгляды учёных. По определению гормон – это вещество, синтезируемое специфическим органом эндокринной системы (железой внутренней секреции) и вырабатываемое в общий кровоток, из которого оно транспортируется практически ко всем органам человека и стимулирует особый физиологический ответ. На сегодняшний момент уже стало известно, что гормоны либо факторы роста могут синтезироваться сами в тканях, а некоторые из них могут оказывать аутокринное и паракринное воздействие. К примеру, можно выделить систему ИФР-1 – группу различных изоформ ИФР-1, обладающих разной по степени воздействия биоактивностью. Продукты ИФР-1 – вещества, полученные через альтернативный синтез гена ИФР-1, экспрессируемого под действием стимулирующего фактора. На данный момент уже было проведено дешифрование цепочки человеческой ДНК, в результате которого выявлено, что она включает в свой состав порядка 40 тысяч разнообразных генов. Одновременно с этим учёные установили, что для поддержания подобного фенотипа некоторым генам необходимо продуцировать определённые виды белков, формирующихся при альтернативном синтезе матричной РНК. Ген инсулиноподобного фактора роста (ИФР), по всей видимости, образован из гена, отвечающего за выработку инсулина. Аналогичный ген, помимо позвоночных животных и человека, выявлен также в организме нематод (первичнополостных червей). На протяжении эволюции у высших организмов осуществлялась дупликация генов, из которых в дальнейшем были сформированы гены системы ИФР и инсулина. Изучение нематод выявило, что сформированный изначально в результате эволюции инсулиновый белок замедляет процесс активации апоптоза и на порядок увеличивает длительность жизни нематод. Подобный регуляционный механизм достаточно многогранен, так как в ходе транскрипции гена ИФР при альтернативном синтезе, в большинстве случаев формируются различные матричные РНК и, следовательно, разнообразные виды белков с определённой для каждого биоактивностью.

ИФР-1 (изначально он назывался соматомедин) рассматривали в виде системного ФР, синтезирующегося в тканях печени под действием соматотропина . Впоследствии стало известно, что ИФР-1 локализуется во многих органах и имеет несколько молекулярных изоформ с различным воздействием на организм.

Система соматотропин-ИФР-1

Теория происхождения соматомедина родилась в середине 50-х годов прошлого века и являлась результатом объяснения процессов регуляции клеточного роста с помощью соматотропина, вырабатываемого гипофизом. Специалисты предположили, что соматотропин оказывает влияние на рост органов и тканей (являющихся мишенью) косвенным образом, тем самым являясь посредником в процессах системного роста. В дальнейшем было дано определение соматомедина, которое отражало стимулирующее воздействие веществ-посредников на митогенные процессы, а впоследствии эти вещества стали носить название «инсулиноподобные факторы роста» или ИФР. При этом, уже в середине 80-х годов группа исследователей предложила «теорию двойного воздействия», в соответствии с которой соматотропин воздействовал напрямую на периферическую ткань без помощи ИФР-1, но вдобавок также оказывал стимулирующее воздействие на локальную продукцию ИФР-1. На сегодняшний момент стало известно, что основополагающей функцией соматотропного гормона является стимулирующее воздействие на выработку ИФР-1 печенью, при всём при этом, соматотропин способствует образованию тройной связи с ИФР, которая поддерживает устойчивое состояние ИФР-1 в крови. Полностью тройная связь образована из ИФР-1, ИФР-связывающего белка – IGFBP-3 и кислотной субъединицы ALS. Выработка соматотропина осуществляется соматотропными тканями аденогипофиза, сам процесс секреции происходит волнообразно. Эндогенное влияние на периферическую ткань состоит в стимулирующем анаболические реакции эффекте, а также в стимуляции синтеза белка, роста соединительной ткани, метаболических процессов и процессов липолиза. Можно предположить, что вызванное физическими нагрузками увеличение концентрации гормона роста непосредственно воздействует на большую часть процессов роста клеток.

Несомненно, функциональность системы соматотропин-ИФР-1 необходима для роста организма в постнатальный период, при этом максимальную важность система соматотропин-ИФР-1 приобретает в пубертатном возрасте. Наряду с этим, с течением времени наблюдается дальнейшее уменьшение ИФР-1 и соматотропина в крови, причём это уменьшение происходит до крайне максимальных цифр, особенно к пожилому возрасту (развивается серьёзный дефицит соматотропина). Зависимость возрастных изменений системы соматотропин-ИФР-1 и снижения силовых показателей, а также мышечной атрофии учёными стала изучаться более внимательно. У людей молодого возраста с низкой концентрацией соматотропного гормона использование искусственного соматотропина приводило к гипертрофии мышечных волокон и улучшению их функциональных способностей. В прочих исследованиях с участием людей средней возрастной группы, имеющих низкий уровень соматотропного гормона в крови, на протяжении нескольких месяцев испытуемые подвергались гормонозаместительной терапии с использованием искусственного человеческого соматотропина. По ходу проведения эксперимента, помимо роста мышечных волокон и силовых показателей, отмечалось также уменьшение размеров жировой прослойки. Итоги этого исследования стали поводом для полного убеждения в том, что лечение с использованием искусственного гормона роста может быть полезно для лиц пожилого возраста с низким уровнем соматотропина. При этом, клинические испытания, сосредоточенные на исследовании общих эффектов использования соматотропного гормона и физических упражнений у людей зрелого возраста, установили, что скорость синтеза белка во время проведения силовых тренировок не менялась при использовании искусственного соматотропина. Кроме того, у людей пожилого возраста отмечалась также гипертрофия мышечных волокон и улучшение мышечной функциональности, имевшая схожий характер с изменениями у других участников. Необходимо упомянуть, что в ходе исследований с использованием искусственного гормона роста, по всей видимости, использовалась изоформа, имеющая массу 22 килодальтон, которая также является основной формой гормона в крови. При этом, в крови также определялись и прочие формы соматотропина в количестве более ста разновидностей (на данный момент их влияние на организм не изучено). Функции соматотропина и ИФР-1 в организме, а именно адаптивные способности мышечных волокон к нагрузкам в старшем и пожилом возрасте, понятны не до конца. Вероятно, что значимость общих факторов роста в отношении мышечных объёмов совсем не значительно. К примеру, одно из исследований показало, что мышечные волокна мышей с резекцией гипофиза, при воздействии нагрузок гипертрофировались, несмотря на значительное снижение общего уровня ИФР-1. Эти данные наряду с обычным лабораторным наблюдением указывают на то, что рост происходил только в той мышечной группе, которая подвергалась нагрузкам, что в свою очередь, показывает важную функцию локальных механизмов выработки ИФР-1 в отношении роста адаптации мышечной ткани.

Экспрессия генов ИФР-1 в мышцах

Мышечная ткань может стимулироваться быстрым ростом во время воздействия на неё физических нагрузок; электростимуляция растянутых мышечных волокон удлиняет мышцы путём прибавления новых саркомеров. Данные методы наряду с применением ПЦР (ПЦР - полимеразная цепная реакция) и использованием РНК-зависимой ДНК-полимеразы, обнаружили 2 разнообразные матричные РНК, а их дальнейшее клонирование вместе с определением нуклеотидной последовательности помогли идентифицировать эти элементы в качестве продуктов транскрипции гена ИФР-1, образованные через альтернативный синтез. Один из таких продуктов – ИФР-1-IEa также был идентифицирован в мышцах в спокойном состоянии и сопряжен с транскриптом, экспрессированным в печени. Другой продукт, не определяемый в мышцах в спокойном состоянии – это ИФР-IEb.

Использование стандартных терминов, применявшихся в процессе лабораторного изучения ИФР-1 в тканях печени, для остальных тканей достаточно проблематично, поэтому форма ИФР-1, которая была обнаружена в мышечных волокнах, стала называться механическим фактором роста - МФР (поскольку его стимуляция происходит за счёт механического стимула). От простого ИФР-1, который синтезируется печенью, эта разновидность будет отличаться своей последовательностью аминокислотных остатков на С-конце белка. Дополнительные трудности связаны с тем, что МФР способен идентифицироваться в качестве ИФР-lb у крыс и ИФР-lc у человека. В человеческих мышцах также локализуется вспомогательный транскрипт, названный ИФР-lb, отличный от крысиного ИФР. Поэтому, очевидно, что несмотря на некую схожесть форм ИФР-1, подвергшихся экспрессии в мышечной ткани, и форм ИФР-1, синтезированных печенью, их необходимо классифицировать по раздельности.

Подробное описание механического фактора роста

Помимо взаимосвязи степени экспрессии МФР от активности мышечной ткани, было установлено, что Е-элемент МФР также имеет вставку, меняющую считывающую рамку. Аминокислоты закодированы связями нуклеотидных остатков и, соответственно, каждая вставка, которая по длине не делится без остатка на 3, способна менять находящийся за ней кодирующий элемент. У мышей выявлена вставка, по длине равная 104-м парным нуклеотидам, в человеческом же организме вставка состоит из 98 парных нуклеотидов. Такие различия имеют функциональные особенности, так как соединение на 3-конце матричной РНК кодирует разнообразные пептидные образования на С-конце белка, отвечающие за идентификацию молекулы, которые необходимы для связывания с белками. Помимо этого, при рассмотрении МФР, образование на карбоксильном «С-конце» белка (кодирующие 5-6 экзоны) воздействует также, как и остальные факторы, объединённые с пептидами, связывающимися с ИФР-1-рецепторами (кодирующими 3-4 экзоны). Установлено, что отдельный Е-элемент может стимулировать митоз миобластов, что в итоге приведёт к активации стволовых миоцитов, участвующих в росте и регенерации миофибрилл. МФР не подвергается гликозилированию, вдобавок также имеются сведения, что в несвязанном виде, то есть помимо образования связей с белками, длительность жизни МФР крайне мала, за счёт этого МФР можно рассматривать в качестве аутокринного либо паракринного или же локального фактора роста, синтезирующегося периферическими тканями в ответ на механическую стимуляцию и воздействующего на мышечную ткань, где МФР и выделяется. Исходя из вышеперечисленного, МФР может являться сигнальным белком, имеющим немаловажное значение в локальной модуляции роста мышечных волокон.

Способность работающих мышц продуцировать ИФР-1

Как говорилось ранее, ИФР-IEа вырабатывается в поперечнополосатых мышцах, а также в некоторых других тканях. По последовательности аминокислот ИФР-IEa схож с основной изоформой, синтезируемой печенью, что даёт возможность предположить о его способности общего воздействия на весь организм. Наряду с этим в мышечной ткани отмечается экспрессия, в основном, 2-х связывающих белков изоформы ИФР-1, усиливающаяся под влиянием физических нагрузок. Если же ИФР-IEa, который синтезируется в мышцах, формирует связи с белками во внеклеточном пространстве, то в этом случае, скорее всего, можно ожидать его больший эффект при воздействии на работающие мышцы, в которым ИФР продуцировался, другими словами данная разновидность ИФР оказывает паракринный и аутокринный эффекты.

Помимо отличий строения карбоксильного конца, МФР имеет некоторые отличия от ИФР-IEa по степени экспрессии. Выявлено, что у грызунов в ответ на силовую нагрузку процесс экспрессии матричной РНК у МФР осуществляется перед экспрессией матричной РНК у ИФР-IEa. Итоги этого эксперимента могут также подтверждаться в том, что у грызунов после микротравматизации мышечных волокон волнообразный тип выработки МФР наблюдается в течение нескольких дней, наряду с тем, что высокая скорость экспрессии ИФР-IEa, рост которой отмечается после уменьшения концентрации МФР, поддерживается на протяжении долгого времени.

Вариации ИФР-1 в мышцах человека

В ходе клинических испытаний с участием мужчин, которые были впервые призваны к службе в армию, через неделю интенсивных физических нагрузок (марш-броски, бег с препятствиями и т.д.) у призывников обнаруживался рост уровня иммунореактивного ИФР-1 в мышечной ткани. В прочих исследованиях с участием людей старшей возрастной категории после завершения тренировочного плана длительностью порядка 3-х месяцев, при помощи методики иммуногистохимического исследования в мышцах ног было зафиксировано повышение концентрации ИФР-1 в 5 раз. Силовая работа заключалась в проведении 3-х сетов по 8 повторов в упражнениях на мышцы ног (квадрицепса и сгибателей бедра) с интенсивностью нагрузок 75% от одного повторного максимума трижды в неделю. По всей вероятности, такой тренировочный план, когда работающие мышечные группы преодолевают высокоинтенсивную нагрузку, способствует их увеличению в объёмах. При этом изучение некоторых вариации ИФР-1 не отмечалось. Не так давно с использованием количественного анализа путём ПЦР был зафиксирован показатель количества МФР и ИФР-IEa (спустя 150 минут) после одного упражнения на мышцы передней поверхности бедра (квадрицепсы). В данном испытании участники выполнили 10 упражнений с 6-ю повторами в каждом, при той же интенсивности (75%). У людей молодого возраста после воздействия тренировочных нагрузок отмечалось увеличение количества матричной РНК у МФР, при этом у участников более старшей группы каких-либо изменений концентрации РНК МФР не выявлено. Помимо этого, в этих же исследованиях, изменений количества матричной РНК у ИФР-IEa не обнаружено. Полученные сведения представляют особый интерес в том, что они полностью согласованы с итоговыми данными исследований с участием животных, где было зафиксировано повышение концентрации МФР перед изменением ИФР-IEa, что говорит о разной регуляторной способности данных форм гормона. Специалисты также не установили взаимосвязь с наличием разных изоформ миозина, находящегося в структуре мышечной ткани, при всём при этом, также следует отметить, что у одного из испытуемых с большим количеством МФР в мышечной ткани продуцировалась, в основном, форма цепочки миозина-IIx. Тренировка с нагрузками включает в себя концентрические и эксцентрические элементы выполнения. Выяснилось, что количество матричной РНК ИФР-1 в мышечной ткани спустя двое суток после одного подхода эксцентрического упражнения увеличивается. Проводились дополнительные исследования, в которых было также обнаружено повышение концентрации МФР при проведении тренировки на велоэргометре (в эксцентрическом стиле). Эти занятия длительностью 60 минут включали в себя кручение педалей с постепенно увеличивающейся нагрузкой – на протяжении часа нагрузка возросла с 50 до 75% от показателя максимального потребления кислорода. Вполне вероятно, что в вышеописанном исследовании, специалисты также зафиксировали общий рост именно уровня ИФР-IEa, а не МФР.

Вопреки тому, что основная функция механической деятельности в урегулировании локальной концентрации экспрессии ИФР-1 достоверна подтверждена, вопрос о наличии каких-либо ещё регуляторных механизмов, относительно прочих гормонов (в частности, соматотропина), не выяснен. О наличии регуляторной способности можно сказать по результатам одного из последних исследований, в котором изучалось использование искусственного гормона роста во время силовых тренировок у людей пожилого возраста. Испытуемые в возрасте 73-75 лет занимались выполнением силовой программы тренировок с использованием препаратов-плацебо либо искусственного гормона роста, а также с использованием последнего без тренировочного воздействия. Силовая программа состояла из трёх упражнений на ноги: жим ногами в тренажёре, разгибание и сгибание ног. Тренировки проводились через день включали по 4 подхода и 10 повторений в каждом подходе и в каждом упражнении. У людей, использующих только искусственный гормон роста, спустя месяц после начала курса каких-либо изменений в показателях матричной РНК в МФР не установлено, однако концентрация матричной РНК у ИФР-IEa увеличивалась в 3.4 раза от начальных значений. У участников, которые выполняли упражнения на протяжении одного месяца (тем, кому вводился препарат-плацебо), напротив был зафиксирован существенный рост выработки МФР в 2.6 раза, а ИФР-IEa только в 1.7 раза, в сравнении с нормальными показателями. Помимо всего прочего, при использовании искусственного соматотропина вместе с тренировочным воздействием рост концентрации МФР был наивысшим - в 5.6 раза от начального уровня. Полученные результаты дают право сделать предположение о том, что использование искусственного соматотропного гормона способствует стимуляции процессов транскрипции генов ИФР-1, вне зависимости от степени выработки, приводящей к возникновению первоначальных форм ИФР-1. При отсутствии тренировочного стресса в процессе синтеза, в основном, формируется форма ИФР-IEa, параллельно с этим, после влияния физических нагрузок конечный результат синтеза приводит к образованию МФР.

Кроме того, в данном эксперименте была идентифицирована и клонирована дополнительная форма матричной РНК ИФР-1 – ИФР-IEb. Какую функции выполняет эта вариация ИФР не известно.

Структура ИФР-1

Белки ИФР-1 состоят из единой пептидной цепи со сложной структурой, включающую в себя порядка 70 аминокислот. Строение этой цепи образовано через альтернативный синтез матричной РНК гена ИФР-1, однако, впоследствии она может подвергаться посстрансляционным преобразованиям (также, как и структура инсулина). Первоначальное строение ИФР-1 имеет некоторую схожесть с проинсулином (большая часть их пептидной цепи является гомологичной), также в его структуре содержится В-элемент, расположенный на N-конце, который изолирован от А-элемента по причине наличия С-элемента между элементами А и В. При этом, по сравнению с проинсулином пептидная цепочка ИФР-1 имеет большую длину из-за расположенных на ней новых элементов (карбоксильный конец содержит D- и Е-элементы).

Третичное строение ИФР-1 изначально было представлено в виде компьютерной модели. При том, что за основу взяли 3D модель инсулина, которая была построена с учётом рентген-анализа. Как говорилось выше, ИФР-1 имеет более длинную структуру в отличие от инсулина, при всём при этом их рецепторы обладают схожей степенью аффинности и могут быть использованы в виде модели для создания структур других изоформ ИФР-1 и ИФР-2. В ходе создания модели третичного строения немаловажным являлось сохранение остатков цистеина и глицина. В ИФР-1 полностью сохраняется инсулиновая основа. Существенным отличием инсулина от ИФР-1 является несхожесть их аминокислотных цепочек С-элемента. Дополнительная часть последовательности с карбоксильным концом, которая отвечает за вариативность ИФР-1 (формирующаяся через альтернативный синтез), придаёт молекуле особые свойства, определяющие её биоактивность. Также, как и инсулиновая основа, которая не растворяется в воде, частица ИФР-1 состоит из 3-х дисульфидных связей, за счёт чего и образуется трехмерная структура ИФР. Наряду с этим, наличие дисульфидных образований в ИФР-1 осложняет биосинтез самого ИФР-1, так как для поддержания «встроенных» функций и сохранения целостности структуры нужно присутствие всех 3-х дисульфидных связей.

Влияние эффектов ИФР-1 на рецепторы клеток

Биоактивность каждого из гормонов находится в зависимости от способности тканей-мишеней участия в физиологическом ответе, который стимулируется внешним воздействием. Эту работу выполняют рецепторы, расположенные на внешней и внутренней стороне клеток, плюс ко всему, также включаются в работу пострецепторные структуры. Подразумевается, что частицы ИФР-1 и ИФР-2 образуют связи с рецепторами ИФР-1, обладающими особой степенью схожести с инсулиновыми рецепторами, причём количество последних составляет 50% от количества аминокислотных остатков в последовательности. Несмотря на высокую степень аффинности ИФР-1 вступает во взаимосвязь с инсулиновыми рецепторами только под воздействием некоторых фармпрепаратов. Данный факт объясняется тем, что, как правило, отличия по степени аффинности к ИФР-рецепторам у ИФР-1 в 3 раза превосходят степень сходства к рецепторам инсулина. ИФР-2 кроме формирования связей с ИФР-рецепторами может взаимодействовать также с другим типом рецептора - ИФР-2-рецептором.

ИФР-1-рецепторы состоят из тирозин-подобной протеинкиназы, часть которой связывается с гормонами, локализованными на внешней стороне клетки. Предполагается, что данный рецептор является посредником в большинстве процессов воздействия ИФР-1 на поперечнополосатые мышцы. К примеру, ИФР-рецепторы регулируют уровень расходования аминокислот и простых сахаров в мышцах нижних конечностей у мышей, и также участвуют в биосинтезе нуклеотидов в клетках-сателлитах и миоцитах ВС3Н1. Следовательно, ИФР-рецепторы оказывают посредническое влияние на эффективность ИФР-1, к примеру, за счёт регуляции расхода аминокислот, роста белков, замедления процессов апоптоза и т.д.

Система сигнальной передачи ИФР-1 функционирует неполноценно в связи с наличием рецепторов-гибридов, сформированных в процессе димеризации молекул ИФР-рецептора и инсулинового рецептора. Отдельно взятый гибрид включает в себя альфа-субъединицу и бета-субъединицу, соединённые с помощью дисульфидных связей. В некоторых обстоятельствах количество рецепторов-гибридов может превышать число гормональных рецепторов на внешней клеточной оболочке. ИФР-1-рецепторы и инсулиновые рецепторы-гибриды также вступают во взаимодействие с ИФР-1, наряду с тем, что их степень аффинности к инсулину заметно ниже. Одним из факторов такого снижения может являться способность молекулы ИФР-1 вступать во взаимосвязь с определённой альфа-субъединицей ИФР-рецептора, при этом, для образования крепкой и функциональной связи с инсулином молекула должна взаимодействовать с двумя бета-субъединицами инсулинового рецептора.

Необходимо упомянуть, что из всех обнаруженных в живых организмах факторов роста только ИФР-1 способен усиливать стимуляцию пролиферативных процессов, а также принимать участие в конечной дифференциации миоцитов. Подобный эффект может объясняться наличием в мышечных тканях разнообразных вариаций ИФР-1. Вдобавок было установлено, что разнообразные вариации ИФР-1 по-разному функционируют в пролиферативных и дифференциальных процессах. Выявлено также, что наличие разнообразных функций дополнительных вариаций ИФР-1 осуществляется под воздействием рецепторов разного типа.

Белки, связывающие ИФР-1

Значение белков, которые обладают способностью связываться с ИФР-1, в модуляции аутокринного и паракринного воздействия ИФР определено недостоверно. Среди описанных на сегодняшний момент связывающих ИФР белков (IGFBP), 4 из них синтезируются в миобластах, при том, что в поперечнополосатых мышцах в зрелом возрасте наблюдается выработка лишь 3-х из них. Подразумевалось, что связывающие белки являются компонентами регуляторной системы ИФР, при этом их синтез в мышечной ткани определённым образом воздействует на поддержание стабильного уровня ИФР-1 в организме. В несвязанном виде ИФР-1 имеет достаточно малый срок жизни, поэтому ИФР-связывающие белки раньше считались транспортными белками для перемещения ИФР с током крови. При этом, в ходе синтеза в мышечных тканях белки, связывающие ИФР, регулируют гормональное (общее) и местное воздействие ИФР-1 в организме. Каким именно образом ИФР-связывающие белки оказывают своё воздействие на ткани полностью не установлено исследователями, однако подразумевается, что они поддерживают уровень ИФР-1 и повышают уровень его биодоступности.

Установлено, что после состояния тканевой ишемии отмечается рост числа матричных РНК как у ИФР-1, так и у ИФР-связывающих белков. При изучении процессов гибридизации исследователи выявили, что синтез ИФР-связывающих белков 5-типа - IGFBP-5 осуществляется только в повреждённых путём воздействия физических нагрузок мышечных тканях, при этом IGFBP-4, помимо экспрессии в мышцах, вырабатывается также в соединительных тканях. Зафиксировано воздействие физической нагрузки или её отсутствия на модуляцию процессов экспрессии в мышцах у определённого типа ИФР-связывающих белков. К примеру, у крыс физическое воздействие на мускулатуру способствует ускорению процессов синтеза матричной РНК у IGFBP-4 и сокращению числа IGFBP-5, при этом, отсутствие физического воздействия (нагрузок) на мышечные волокна способствует сокращению числа матричной РНК IGFBP-5, но при этом не оказывает никакого влияния на уровень матричных РНК у IGFBP-4. Подразумевается, что 4-ый и 5-ый типы ИФР-связывающих белков косвенно регулируют активность ИФР-1 путём его модуляции в крови в несвязанном виде, и за счёт усиления конкурентного влияния со своей стороны за образование связи с ИФР. На сегодняшний момент проводится множество исследований, сосредоточенных на изучении свойств особых белков, которые могут связывать МФР и отличаться по своим параметрам от ИФР-связывающих белков.

Биологическая активность вариаций ИФР-1, сформированных через альтернативный синтез

Каждая разновидность ИФР-1, которая образована через альтернативный синтез, обладает аналогичным участком образования связи, в котором кодируются экзоны 3 и 4 на гене ИФР-1. Данный участок немаловажен для активации анаболических реакций ИФР-1. Это хорошо подтверждают результаты метаанализа многих исследований, проходящих в лабораторных условиях. В соответствии с метаанализом было выявлено, что действие ИФР-1 приводило к увеличению размеров миоцитов, снижению степени угнетения белков, увеличению расхода аминокислот и скорости синтеза белка. Формирование ИФР-1 в процессе роста мышечной ткани было зафиксировано при моделировании определённых условий с их воздействием на животных, плюс ко всему, отмечался также рост тканей, происходящий при растяжении мышечных фасций. К примеру, у мышей рост тканей, стимулированный путём рассечения сухожилия, приводил к увеличению числа матричных РНК у ИФР-1 в мышечной ткани. Недавние эксперименты, проводившиеся на крысах с резекцией гипофиза, помогли также выявить не зависимый от соматотропина характер отмечавшегося роста матричной РНК у ИФР-1 в мышечных волокнах. Последующие эксперименты, в ходе которых применялся аналогичный метод нагрузки на все мышцы у здоровых особей и у крыс с резекцией гипофиза, выявили, что концентрация матричной РНК и количество ИФР-1 увеличивались в мышечной ткани за некоторое время до возникновения процессов мышечного роста, плюс ко всему, они (РНК и ИФР-1) оставались высокими в течение всего периода роста миофибрилл. Другие исследователи, которые подвергали грызунов физическим нагрузкам с угнетённой выработкой гормона роста, обнаружили, что количество матричной РНК и ИФР-1 увеличилось в 1.5 и в 3.5 раза, соответственно. Кроме того, повышенная степень выработки либо искусственное введение ИФР-1 в мышечные волокна способствовали росту этих мышц, при том, что ингибирование элементов системы, которая способствовала активации ИФР-1, позволяло предупредить подобный мышечный ответ. Изучение воздействия усиленной выработки ИФР-1 локального характера на атрофические процессы, происходящие в мышцах и спровоцированные отсутствием физических нагрузок, выявили, что излишняя концентрация ИФР-1 в мышечной ткани у грызунов с искусственно изменённым геномом не способствовала предотвращению атрофии.

Генетические изменения уровня ИФР-1 в мышечных тканях

Мыши с изменённым геномом, в результате чего в их организме наблюдается усиление экспрессии гена ИФР-1, получились в ходе генной инженерии в нескольких исследованиях. Впервые такие эксперименты, в которых использовали животных с увеличенной (генетически заложенной) выработкой соматотропного гормона, показали рост мышечных объёмов на 35%. Изначально в процессе исследований применялся стимулятор на основе металлотионеина, который при введении способствовал усилению выработки ИФР-1 во многих тканях. Впоследствии, для генетических экспериментов использовались генетические структуры в основу которых входили регуляционные компоненты, стимуляция которых специфическим образом осуществлялась в мышечной ткани (к примеру, альфа-актин является одним из таких компонентов регуляции). Несмотря на несущественное увеличение концентрации ИФР-1 в крови, у грызунов происходил заметный рост мышечных волокон. В будущем та же группы учёных выявила новые сведения о том, что у генетически изменённых мышей в отличие от нормальных особей процессы восстановления повреждённых мышечных волокон и двигательных нейронов происходили намного быстрее. Не совсем ясно, применялась ли в этих исследованиях генная инженерия с использованием комплементарной ДНК. Необходимо также узнать, насколько востребованным для мышечных волокон является формирование ИФР-1. Зачастую, это можно определить при помощи регуляторной цепочки, применяемой для модуляции генетически изменённого вещества, введённого в организм подопытного животного. Кроме грызунов с ускоренной выработкой ИФР-1, рождались также крысы с делецией гена ИФР-1, то есть у таких крыс в ДНК этот ген отсутствовал. Вследствие этого, у таких животных не осуществлялась выработка каких-либо вариаций ИФР-1. При всём при этом, животные без гена ИФР-1 через некоторое время после появления на свет гибли по причине практического отсутствия мышечной массы. Любопытно, что итоги недавних исследований, в которых была использована делеция генов, заставили учёных сомневаться в роли гормона роста и ИФР-1 (синтезируемого в печени), предназначенных для регуляции роста живого организма. При помощи данной системы было проведено удаление гена ИФР-1 в гепатоцитах, однако в других тканях и органах, в особенности: мышечном слое сердца (миокарде), почках, мышечных и жировых тканях, отмечалась нормальная выработка ИФР-гена. Проявление эффектов после удаления гена ИФР-1, синтезируемого в печени, у грызунов, подвергшихся мутации, происходит одновременно с сокращением концентрации ИФР-1 в крови. Любопытно, что при анализе размеров различных органов не было установлено каких-либо отличий между здоровыми особями и особями с генетически изменённым геномом. Это может говорить о том, что дальнейший рост после рождения особи осуществляется без стимуляции ИФР-1, синтезируемого в тканях печени, что в очередной раз подтверждает особое значение системы ИФР-1 в вышеописанных процессах.

Перемещение генных структур, которые кодируют ИФР-1

Трансфекция миоцитов путём введения плазмидного вещества с содержанием комплементарной ДНК, необходимого для трансформации гена, предоставила возможность лечения некоторых патологий, связанных со снижением мышечных объёмов. Не так давно проводились эксперименты с применением генетических структур, имеющих в своём составе комплементарную ДНК из разных вариаций ИФР-1, которые были образованы через альтернативный синтез (МФР также относится к такому роду вариаций). Один такой эксперимент проводился для определения значения МФР в работе мышечных волокон. Сам эксперимент включал в себя введение плазмидного вещества с комплементарной ДНК МФР в мышечные ткани здоровых мышей. В итоге, спустя пару недель мышечные группы, в которые был введён препарат, выросли в размерах на 20% за счёт гипертрофии волокон. Такие же исследования проводились прочими исследователями с применением веществ, состоящих на основе вирусных агентов, с содержанием комплементарного ДНК одной из вариаций ИФР-1, синтезируемой печенью. После введения данного типа препарата отмечался рост мышечных объёмов на 15-20%, при этом для реализации такого воздействия вещества понадобилось порядка 18 недель. Помимо применения вышеописанных веществ для купирования некоторых заболеваний, перемещение генов можно использовать в целях злоупотребления. Применение вирусного вещества для перемещения отдельных частей генома способствует упрощению идентификации, так как любой вирус может оказывать своё отрицательное воздействие на многие ткани и органы. Наряду с этим, плазмидные вещества идентифицировать уже труднее, однако на данный момент времени начался процесс разработки отдельных методов, на основании которых определяются все эффекты воздействия на ДНК.

Сигнальная передача ИФР-1 и её участие в росте мышечной ткани

Каким именно образом пути передачи сигналов влияют на действие ИФР-1, влияющее на рост поперечнополосатых мышц, на данный момент не ясно, однако можно предположить, что здесь вероятно задействованы 2 системы передачи сигналов: кальциневрин и сЯФАТ (система ядерного фактора активизации Т-лимфоцитов), а также PI3-киназа. Последующее изучение механизмов активации роста в живых тканях выявило, что стимуляция тканевого роста осуществляется за счёт системы АКТ\мТОР, способной стимулировать р70-S6-киназу. Помимо этого, утверждалось, что молекулы ИФР-1 в процессе активации при помощи системы АКТ могут ингибировать путь передачи кальциневрин\сЯФАТ. Однако, все исследования, которые специализировались на изучении данных процессов, выявили, что синтез общего ИФР-1 происходит под воздействием физической нагрузки.

Влияние ИФР-1 на саркопению

С возрастом в человеческом организме наблюдается уменьшение мышечных объёмов и их силовых показателей, причём механизмы, отвечающие за старческую атрофию, неизвестны. Отмечается уменьшение концентрации соматотропного гормона и ИФР-1 в системе кровообращения, плюс ко всему, наблюдается уменьшение числа миофибрилл. Имеются данные о значении ИФР-1 в процессах сохранения мышечной массы у пожилых людей, причём объём информации, доказывающий причастность ИФР-1 к росту мышц в зрелом возрасте, постепенно растёт. Применяя искусственно выращенный аденовирус, который оказывает стимулирующее воздействие на ген миозина (MLC13), комплементарную ДНК ИФР-1 вводили в мышечную ткань мышей старшего и молодого возраста. В итоге это способствовало усилению экспрессии ИФР-1Еа в месте введения, но при всём при этом не возникало никакого воздействия на изменение концентрации общего ИФР-1 в организме. Спустя 18 недель после введения размер мышцы, в которую был введён вирусный препарат, увеличился в объёме на 16% в отличие от нормальных особей. Старые особи показывали рост тех же мышц на 28%. Другая группа учёных аналогичным образом выявила благоприятное воздействие усиленной экспрессии гена ИФР-1Еа на мышечные объёмы старых мышей, однако в их случае применялся метод генной инженерии с введением в организм животного гена сверхэкспрессии ИФР-1Еа. Через полгода после рождения диаметр мышечных волокон у генетически изменённых мышей был равен 30 мкм в отличие от 17 мкм у обычных грызунов. При всём при этом, мышечный рост наблюдался только в отношении быстрых мышечных волокон (45 мкм – диаметр у генно-модифицированных мышей и 30 мкм – у простых). Медленные же мышечные волокна почти не отличались от размеров, зафиксированных у контрольных животных. Вероятно, это можно объяснить сниженным уровнем формирования регуляторной области миозина (MLC13) в медленных волокнах. С возрастом у генно-модифицированных грызунов мышечные объёмы оставались в пределах тех же объёмов, что и в молодом возрасте (до 20 месяцев), при этом у обычных особей отмечалось существенное уменьшение мышечных объёмов. Подобные исследования на генно-модифицированных грызунах демонстрируют, что ИФР-1, действующий локально, может являться немаловажным фактором, предотвращающим процессы мышечной атрофии с возрастом. Вдобавок ко всему, в эксперименте на животных (в ходе которого за счёт надрезания сухожилия камбаловидной мышцы повысился уровень физической нагрузки), проводилось определение возрастных отличий физиологического ответа на локальную выработку различных форм ИФР-1. Изучались животные разных возрастных групп (молодые, зрелые и пожилые особи) спустя неделю после надрезания сухожилий. Молодые особи под влиянием нагрузки, продемонстрировали рост уровня матричной РНК МФР в мышцах, в 120 раз превышающий уровень МФР у обычных особей, наряду с этим, старые животные не показали таких же внушительных изменений, а рост МФР был менее значительным (в 5 раз от уровня обычных особей). Вдобавок отмечалось повышение концентрации формы ИФР-1Еа, при этом серьёзных возрастных отличий этого показателя обнаружено не было. В недавних клинических испытаниях, в которых определялся спектр изменений концентрации ИФР-1 при воздействии физических нагрузок на человеческий организм, у старшей возрастной группы, в отличие от молодых людей, рост МФР после разовой тренировки отмечался меньше. Наряду с этим, силовая тренировка длительностью порядка 2.5 месяцев (трижды в неделю) приводила к увеличению общей концентрации ИФР-1 в мышечной ткани у людей старшей возрастной группы. Также было установлено, что данная программа тренинга может способствовать формированию всех вариаций ИФР-1 в мышечной ткани. Любопытно, что именно МФР в данном случае повышался более заметно. Данный процесс, как правило, отражает способность мышечных волокон гипертрофироваться под влиянием тренировочных нагрузок, в том числе у пожилых людей.

МФР, миосателлиты и микротравмы мышечных волокон

Миосателлиты являются клетками-спутниками поперечнополосатых мышц (были открыты в 1961 году). На данный момент выявлено, что миосателлиты оказывают положительное влияние на рост мышц уже после рождения, и вдобавок участвуют в восстановлении мышечных тканей после их травматизации. По прошествии пубертатного периода в неповреждённой мышечной ткани миосателлиты находятся в состоянии покоя и, как правило, локализуются под базальной мембраной. При стимуляции в миосателлитах отмечается формирование М-кадгерина, плюс также происходит формирование рост-стимулирующих факторов, а именно С-Мет и Myf-5. Этиология миосателлитов на сегодняшний день пока не установлена, так как есть предположение, что именно они являются остаточными миобластами. Наряду с этим, появляется всё больше сведений, что эти клетки могут быть сформированы из плюрипотентных стволовых клеток. Установлено, что данная разновидность клеток при их перемещении в атрофированную мышцу может трансформироваться в клетки мышечной ткани.

Учёные выявили, что даже нормальная мышца подвергается локальным повреждениям, при этом, во время прогрессирования некоторых заболеваний, (к примеру, мышечные дистрофии различного генеза), ткани будут подвергаться уже более выраженному разрушению (в особенности, в местах рядом с клеточной оболочкой). Сократительные структуры мышц могут также повреждаться в ходе выполнения эксцентрических упражнений, при этом происходит стимуляция мышечных волокон при их растяжении. Необходимо заметить, что степень усилия, которое генерируется во время стимуляции мышцы одновременно с её растяжением, превышает степень усилия, возникшего при выполнении изометрических упражнений с максимально возможной интенсивностью. Саркомеры мышечного волокна способны растягиваться таким образом, что область перекрытия филаментов миозина и актина полностью пропадает, как раз именно этот фактор и провоцирует повреждение мышечной ткани.

В период восстановления мышечных волокон у крыс молодого возраста после их травматизации путём ишемии, отмечался усиленный синтез ИФР-1, который спустя 2 недели после активации полностью прекращался. Проводилось также изучение изменений всех вариаций ИФР-1 в мышцах под воздействием аналогичных стимулов, также выявлена их связь со стимуляцией миосателлитов. По итогам исследований, в которых микротравмы в мышечных тканях были получены за счёт местной анестезии (бупивакаина гидрохлорида), обнаружился рост выработки матричной РНК у ИФР-1Еа, достигавший своего максимального значение через 10 дней после инъекции, но в дальнейшем он уменьшался до физиологических показателей. При этом увеличение силы и скорости выработки матричной РНК у МФР наблюдалось несколько раньше, а через 4 дня степень экспрессии была максимальной. При наличии механических повреждений пиковое значение МФР фиксировалось ещё раньше. Вероятно, что при введении миотоксических препаратов и при механических повреждениях отмечается однообразный тип выработки различных вариаций ИФР-1 (МФР быстрее достигает пиковых показателей в отличие от ИФР-1Еа). Показанные отличия в формировании 2-х мышечных матричных РНК ИФР-1 также были обнаружены у крыс через некоторое время после воздействия на них физических нагрузок. Выработка М-кадгеринов в сравнении с уровнем матричной РНК, доходила до максимальных значений быстрее скорости выработки ИФР-1Еа, таким образом, можно предположить, что общий ИФР-1Еа не участвует в стимуляции миосателлитов. При этом нельзя с точностью утверждать, насколько это является следствием роста числа миосателлитов, так как установлено, что в данном типе клеток в спокойном состоянии находится небольшое количество М-кадгеринов. Помимо всего, максимальная выработка ИФР-1 и МФР говорит о значительном росте М-кадгеринов.

МФР и ИФР-1Еа в итоге способствуют образованию одного и того же белка, цепочка которого закодирована в 3-ем и 4-ом экзонах. Аминокислотные последовательности, в которых кодируются данные экзоны, имеются во всех вариациях ИФР, и при этом вдобавок они также кодируют элемент, ответственный за взаимосвязь ИФР-1 с ИФР-1-рецепторами. Внеклеточный процесс расщепления прогормонов ИФР-1 приводит к формированию идентичных белков, при том, что остальные формы ИФР-1 состоят из различных последовательностей ДНК. Предполагалось, что прекурсоры ИФР-1 могут оказаться стволовыми клетками. Необходимо подчеркнуть, что полученный искусственно белок из Е-элемента ИФР-IEb в организме крыс, может стимулировать рост эпителия. Активизация процессов роста за счёт изолированного Е-элемента МФР и его значение в виде отдельного фактора роста можно подтвердить недавними исследованиями с применением клеточных структур, в результате которых специалисты установили, что постоянное введение клеток МФР активизирует рост миобластов и угнетает их дифференциацию. Включение искусственно полученного МФР или же среды, в которой культивировались МФР-клетки, к обычным клеткам С2С12 аналогичным образом способствовало подавлению процессов дифференциации. Кроме всего, эффективность ингибирующего воздействия является обратимой, а при смене культивирующей среды на новую, эффективность стремилась к нулю. Влияние одной из изоформ ИФР-1 приводило к физиологическим изменениям в соматических клетках – в них происходили процессы ингибирования роста мышечной ткани. Особое любопытство вызывают исследования, в которых к культивированным мышечным клеткам добавляли специфические иммуноглобулины к ИФР-1-рецептору. Тем не менее, после этого не наблюдалось подавления пролиферативных процессов, стимулированных действием МФР. Наряду с этим, стимулирующее воздействие ИФР-1 на размеры миоцитов было значительно подавлено. Эти сведения достоверно показывают, что МФР кроме влияния на систему рецепторных сигналов ИФР-1 оказывает также своё воздействие на прочие пути передачи сигналов.

Конечные итоги данных исследований дают полностью удостовериться в системном участии ИФР-1 в регенеративных процессах, происходящих в мышечных волокнах. Как было установлено, ИФР-1Еа и МФР синтезируются в активно работающих мышцах и берут на себя регуляторную функцию мышечной гипертрофии. При этом, как говорилось ранее, изменения концентрации МФР сопровождаются быстрым физиологическим ответом, поэтому ИФР-1Еа действует менее быстро и активизируется уже на поздних этапах процессов восстановления. При оценке влияния на организм механической травматизации и повреждений, связанных с введением митотоксических препаратов, становится ясно, что и в том, и в другом случае наблюдается достаточно быстрая выработка МФР. В случае введения митотоксических препаратов микротравмы, образованные в мышечной ткани, могут усиливаться под влиянием физических нагрузок. Не секрет, что через некоторое время после повреждений травмированные ткани отекают, что способствует аналогичному клеточному отклику. Так как формирование аутокринной вариации синтеза ИФР-1 и МФР является этапом, предшествующим процессу стимуляции миосателлитов, то, по всей вероятности, именно МФР (но не общий ИФР-1Еа) оказывает своё влияние на миосателлиты. Этот довод вполне может согласовываться с новыми данными, демонстрирующими, что мышечная ткань, подвергшаяся дистрофическим изменениям, не способна в полной мере экспрессировать МФР. У лиц пожилого возраста изменения степени физиологического ответа в отношении концентрации матричной РНК у МФР после физического воздействия на мышцы практически не заметны. В условиях, в которых происходит нарушение регенеративных процессов в мышцах, отмечается дефицит миосателлитов. На данный момент проводятся новые исследования, сконцентрированные на изучении процессов выработки или экспрессии ИФР-1Еа и МФР, а также способов стимуляции миосателлитов у людей пожилого и молодого возраста.

Заключительная часть

В ходе многочисленных лабораторных и клинических исследований стало ясно, что адаптация мышечных волокон к высокоинтенсивной физической нагрузке, а также их физиологический ответ на травматизацию, вызванный сокращением мышц, осуществляется локально при участии ростовых факторов, образованных в месте их действия. Группа белков ИФР-1 состоит из компонентов, которые играют немаловажную роль в процессах регенерации тканей. Формирование разнообразных форм ИФР-1 с различными функциями из единого гена осуществляется через сложный процесс, именуемый альтернативным синтезом. Исследование функциональности данных форм ИФР-1, в том числе, и их вероятного взаимодействия с прочими процессами регуляции, происходящими в мышцах (к примеру, взаимодействие ИФР-1 с тестостероном, миостатином и пр.), может помочь в оптимизации тренировочного плана для спортсменов скоростно-силовых видов спорта. Кроме того, изучение и понятие путей передачи сигналов, активизирующихся под влиянием физических нагрузок, также может предоставить исследователям новые сведения для создания наиболее эффективных стимулирующих препаратов, которые можно будет использовать в качестве допинга.