Влияние интенсивности синтеза мРНК в ядре клетки на размер мышечного волокна

Как уже упоминалось выше, в ряде исследований было отмечено, что увеличение числа ядер в мышечных волокнах при их гипертрофии происходит таким образом, что объём волокна, приходящийся на одно ядро, остаётся практически неизменной величиной (D.Seiden 1976), (D.Vassilopoulos et al. 1977). Было выдвинуто предположение, что отношение объёма мышечного волокна к числу ядер в нём, то есть объём мышечной клетки, контролируемый одним ядром (так называемая ДНК-единица (DNA-unit)), является величиной постоянной, и в организме заложены механизмы поддержания её постоянства (D.B.Cheek 1985). Впоследствии данная точка зрения неоднократно подтверждалась. Так, было показано, что мышцы крыс, подвергшиеся функциональной перегрузке в результате удаления мышц-синергистов, демонстрируют значительно большую гипертрофию при регулярном инъекционном введении гормона роста в сравнении с мышцами крыс, не получавшими инъекции гормона. Однако отношение объёма волокна к числу ядер в нём оказалось одинаковым не только у крыс, получавших и не получавших инъекции гормона, но и у тех крыс, мышцы которых не подвергались функциональной перегрузке и не увеличивались (G.E.McCall et al. 1998). Было обнаружено, что увеличенный относительно контрольной группы (составленной из людей, не занимавшихся поднятием тяжестей) объём мышечных волокон в трапециевидных мышцах высокотренированных пауэрлифтёров хорошо коррелирует с увеличенным числом ядер в данных мышцах — то есть размер ДНК-единицы в мышцах спортсменов не превышает размера ДНК-единицы в мышцах представителей контрольной группы (F.Kadi et al. 1999 а). Сравнение мышц пауэрлифтёров, которые, по их собственному признанию, в течение нескольких последних лет принимали анаболические стероиды, с мышцами атлетов, воздерживавшихся от применения этих препаратов, показало, что между данными группами спортсменов нет существенного различия в размере ДНК-единицы (F.Kadi et al. 1999 b).
Однако из того факта, что гипертрофия мышечного волокна сопровождается, как правило, пропорциональным увеличением числа ядер в нём, никак нельзя делать вывод, что размер мышечного волокна во всех случаях определяется только числом ядер. Ограниченное увеличение размера ДНК-единицы происходит на ранних этапах развития организма. Обнаружено, что в организме молодых растущих крыс мышцы, в которых деление миосателлитоцитов блокировано воздействием радиации, всё же немного увеличивают свой размер и массу, хотя и значительно отстают в росте от необлучённых мышц, в которых деление миосателлитоцитов происходит в обычном порядке (P.E.Mozdziak et al. 1997). В этих же экспериментах было показано, что в мышцах, подвергшихся облучению, и в необлучённых мышцах размер ДНК-единицы возрастает в равной степени, то есть увеличение размера ДНК-единицы на ранних этапах развития организма является физиологически запрограммированным. Связан такой рост объёма волокна, обслуживаемого одним ядром, по-видимому, с тем, что размер ДНК-единицы мышечного волокна в молодом организме меньше размера ДНК-единицы, характерного для мышц зрелого организма. Возможно, увеличение размера ДНК-единицы на ранних этапах развития организма связано с возрастающей после рождения двигательной активностью мышц — на это указывает тот факт, что снятие нагрузки с растущих мышц прерывает увеличение размера ДНК-единицы (P.E.Mozdziak et al. 2000). Вместе с тем возможности увеличения размера ДНК-единицы, по-видимому, ограничены, поскольку в облучённых мышцах дополнительного увеличения размера ДНК-единицы, компенсирующего отставание мышц в развитии из-за меньшего числа ядер, не происходит (P.E.Mozdziak et al. 1997).
Впрочем, снижение размера ДНК-единицы возможно в стареющем организме. В противоречие исследованиям, в которых постоянство размера ДНК-единицы было отмечено в мышцах людей в возрасте от одного до семидесяти одного года (D.Vassilopoulos et al. 1977), при аналогичных исследованиях мышц людей в возрастном диапазоне от семнадцати до восьмидесяти двух лет было обнаружено снижение размера ДНК-единицы в мышцах людей старше шестидесяти лет (P.Manta et al. 1987), то есть в мышцах пожилых людей наблюдалось снижение среднего размера волокон при сохраняющемся числе ядер. Возможно, такое уменьшение ДНК-единицы связано со снижением с возрастом двигательной активности людей.
При атрофии мышц, вызванной значительным снижением двигательной активности, также отмечается снижение размера ДНК-единицы. Например, после денервации мышц кролика наблюдалась атрофия мышц, сопровождавшаяся снижением размера ДНК-единицы (J.A.Gustafsson et al. 1984). При снятии нагрузки с мышц задней конечности крыс в течение двадцати восьми дней число ядер в мышцах крыс не уменьшилось, в то время как размер волокон существенно снизился (до 70% от уровня контроля в быстрых и до 45% от уровня контроля в медленных). Следовательно, размер ДНК-единицы в атрофированных мышцах заметно снизился — в особенности, в медленных волокнах (C.E.Kasper, L.Xun 1996). Соблюдение группой добровольцев длительного (до четырёх месяцев) постельного режима привело к существенному (на 35% от первоначального уровня) снижению поперечного сечения мышечных волокон в камбаловидной мышце (95% волокон камбаловидной мышцы — медленные), при этом число ядер в волокнах осталось неизменным, то есть бездействие мышц привело к существенному снижению размера ДНК-единицы медленных волокон (Y.Ohira et al. 1999). В указанных экспериментах атрофия мышц не сопровождалась снижением числа клеточных ядер в мышечных волокнах, но в ряде случаев при атрофии мышц наблюдалось как уменьшение размера ДНК-единицы, так и уменьшение числа ядер. Например, в мышцах задней конечности кошек после шести месяцев бездействия (по причине спиноизоляции, то есть изоляции спинного мозга от воздействия головного) было отмечено как снижение размера ДНК-единицы, так и уменьшение числа ядер (D.L.Allen et al. 1995). В мышцах крыс после двухнедельного пребывания в невесомости зафиксировано как уменьшение числа ядер в медленных мышечных волокнах, так и уменьшение размера ДНК-единицы медленного волокна, при этом число ядер и размер ДНК-единицы в быстрых волокнах остались неизменными (D.L.Allen et al. 1996). Признаки апоптоза (то есть самоуничтожения ДНК) ядер обнаружены в мышцах крыс как после двухнедельного космического полёта (D.L.Allen et al. 1997), так и после нескольких дней фиксации мышц кролика в сокращённом состоянии (H.K.Smith et al. 2000).
Итак, уменьшение интенсивности синтеза белка и снижение размера ДНК-единицы является основным фактором атрофии мышечных волокон при их длительном бездействии, однако определённый вклад в атрофию скелетных мышц могут вносить также приостановка деления клеток-сателлитов и гибель уже существующих ядер. Известно, что атрофия мышц, вызванная гипокинезией, обратима (X.J.Musacchia et al. 1980), (Y.Ohira et al. 1999). При восстановлении после атрофии происходит восстановление и даже некоторое увеличение размера ДНК-единицы (Y.Ohira et al. 1999).
Умеренное повышение размера ДНК-единицы может происходить не только в постнатальный (послеродовой) период или при восстановлении мышц после атрофии, но и при функциональной гипертрофии мышц. Так, в уже упомянутых экспериментах (D.L.Allen et al. 1995) гипертрофия медленных волокон в перегруженных мышцах кошек сопровождалась увеличением размера ДНК-единицы примерно на 28%. Однако увеличение размера ДНК-единицы не внесло существенного вклада в гипертрофию мышц, поскольку наблюдавшееся приращение размера ДНК единицы могло увеличить площадь поперечного сечения медленных волокон всего на 28%, в то время как в целом площадь поперечного сечения увеличилась примерно в 2, 5 раза (главным образом за счёт почти двукратного увеличения числа ядер).
Те обстоятельства, что размер ДНК-единицы зависит от уровня двигательной активности мышц, но возможности приращения размера ДНК-единицы при увеличении нагрузки на мышцы в то же время весьма ограничены, свидетельствуют, по-видимому, о том, что существует предельный объём мышечного волокна, который способно обслуживать одно ядро.
Есть предположение, что ограниченность размера ДНК-единицы может быть связана с расстояниями от ядра, на которые возможна эффективная доставка мРНК либо синтезированных белков (R.R.Roy et al. 1999).
Так, in vitro было показано, что в многоядерных клетках мРНК сосредоточена в ограниченном объёме вокруг экспрессирующего её ядра (E.Ralston, Z.W.Hall 1992), вокруг ядра же локализованы и на определённом удалении от него не встречаются белки, синтезированные на основе мРНК, экспрессируемой ядром (G.K.Pavlath et al. 1989).
Вместе с тем лимитирующим размер ДНК-единицы фактором может служить достижение предела возможностей одного ядра по синтезу определённых видов РНК. В пользу последнего свидетельствует тот факт, что медленные волокна при том же или даже меньшем размере, что и быстрые, имеют большее число ядер — соответственно, плотность ядер в медленных волокнах выше, а размер ДНК-единицы меньше, чем в быстрых волокнах (I.G.Burleigh 1977), (J.A.Gustafsson et al. 1984), (B.S.Tseng et al. 1994), (C.E.Kasper, L.Xun 1996), (R.Roy et al. 1999). Возможно, большая плотность ядер в медленных волокнах обусловлена тем, что обмен белкового вещества в медленных волокнах примерно в два раза выше, чем в быстрых (F.J.Kelly et al. 1984), и предел возможностей ядра по синтезу некоторых видов РНК в медленных волокнах легко достижим, а потому ядра медленных волокон способны обслуживать меньший объём саркоплазмы, чем ядра быстрых. Статистический анализ распределения ядер в мышечных волокнах различного диаметра показал, что в медленных волокнах по мере увеличения их диаметра имеется тенденция к сохранению объёма волокна, обслуживаемого одним ядром, а в быстрых волокнах имеется тенденция к сохранению площади поверхности волокна (ядра в зрелых волокнах расположены непосредственно под оболочкой), приходящейся на одно ядро (J.C.Bruusgaard et al. 2003). Последнее наблюдение свидетельствует в пользу того, что в медленных волокнах ограничителем размера ДНК-единицы в большей степени являются возможности ядра в синтезе РНК, а в быстрых волокнах ограничителем выступают транспортные расстояния.
При решении вопроса о необходимости пересмотра концепции, увязывающей гипертрофию скелетных мышц с активацией транскрипции мРНК структурных белков, следует в первую очередь узнать ответ вот на какой вопрос: является ли увеличение числа ядер в мышечных волокнах первичной причиной гипертрофии волокон или же это следствие всё тех же процессов интенсификации синтеза мРНК? На первом этапе адаптации мышц к нагрузке может происходить интенсификация транскрипции мРНК и усиление синтеза белка и, как следствие, наблюдаться рост размера ДНК-единицы. А уже вслед за этим в качестве адаптации к увеличенному размеру ДНК-единицы может происходить активация клеток-сателлитов и увеличение числа ядер в волокне, то есть восстановление оптимального размера ДНК-единицы. Против последнего предположения свидетельствует ряд следующих приведённых ниже фактов.
Было обнаружено, что активация и быстрое увеличение клеток-сателлитов в мышечных волокнах является первичной реакцией на различные виды перегрузки мышц животных, как то: растягивание мышц перепелов путём прикрепления груза к крыльям (M.H.Snow 1990) или перегрузка мышц крыс, вызванная удалением мышц-синергистов (P.K.Winchester et al. 1991). Активация миосателлитоцитов наблюдается в первые дни после начала перегрузки мышц, а вот существенная гипертрофия мышц наблюдается уже впоследствии.
В ряде исследований было отмечено, что гипертрофия мышц не только не является следствием увеличения размера ДНК-единицы, но, наоборот, размер ДНК-единицы при гипертрофии мышц может даже уменьшиться. Так, в быстрых волокнах кошек, подвергнутых функциональной перегрузке из-за удаления мышц-синергистов, наблюдается снижение размера ДНК-единицы на фоне почти четырёхкратного увеличения числа ядер (D.L.Allen et al. 1995).
Инъекции тестостерона в течение двадцати недель в дозировке 300-600 мг в неделю привели к гипертрофии vastus lateralis человека, при этом размер ДНК-единицы в мышечных волокнах данной мышцы не только не был увеличен, но, наоборот, уменьшился (I.Sinha-Hikim et al. 2003), то есть гормонально индуцируемая гипертрофия мышечных волокон произошла исключительно за счёт увеличения числа ядер.
Отсечение определённых мышц у животных вызывает компенсаторную гипертрофию мышц-синергистов — например, удаление у крыс tibialis anterior вызывает гипертрофию extensor digitorum longus, однако если до удаления tibialis anterior в digitorum longus блокировать возможность деления клеток-сателлитов, обработав мышцы крыс радиацией, то компенсаторной гипертрофии extensor digitorum longus не наблюдается (J.D.Rosenblatt et al. 1994). Это свидетельствует о том, что сколько-нибудь существенная гипертрофия мышечных волокон только за счёт интенсификации синтеза мРНК без увеличения числа ядер в волокне просто невозможна.
Итак, можно считать достоверно установленным, что активация клеток-сателлитов, приводящая к увеличению числа ядер в мышечном волокне, является именно причиной гипертрофии мышечных волокон, но никак не её следствием.