КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 17-75-20152
НазваниеПусковые сигнальные механизмы развития атрофии скелетных мышц млекопитающих в условиях функциональной разгрузки
РуководительМирзоев Тимур Махмашарифович, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2020 - 06.2022 |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-104 - Физиология
Ключевые словаскелетная мышца, функциональная разгрузка, атрофия, синтез белка, распад белка, внутриклеточные сигнальные пути, AMPK
Код ГРНТИ34.51.15
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Скелетные мышцы, составляющие до 40% массы тела человека, обеспечивают не только локомоции, поддержание позы и вентиляцию лёгких, но также являются важнейшим метаболическим органом, представляя собой "резервуар" для аминокислот и глюкозы, которое могут использоваться другими органами при патологических состояниях и голодании (например, использование аминокислот печенью для глюконеогенеза) (Rudrappa et al., 2016). Кроме того, скелетным мышцам (прежде всего, камбаловидной и икроножной) принадлежит ключевая роль в регуляции гемодинамики в нижних конечностях (мышечно-венозная «помпа» голени) (Uhl, Gillot, 2015). Поддержание массы и функций скелетных мышц имеет решающее значение для предотвращения метаболических нарушений, поддержания активного долголетия и обеспечения энергией жизненно важных органов в случае необходимости. Основную массу скелетной мышцы составляют белки (прежде всего, миозин, актин, титин). Следовательно, синтезу белка в мышечных волокнах принадлежит важнейшая роль в регуляции мышечной массы. Синтез белка в клетке зависит как от эффективности трансляции (translational efficiency) (т.е. скоростb синтеза белка на рибосоме), так и от трансляционной ёмкости (translational capacity) (т.е. от количества рибосом). Следствием длительного периода инактивации (или пониженной активности) скелетной мышцы является атрофия (disuse atrophy), которая характеризуется уменьшением диаметра мышечных волокон по причине потери белка. Такого рода мышечная атрофия является актуальной проблемой современной клинической медицины (вынужденная гипокинезия и иммобилизация конечностей у пациентов неврологических и травматологических отделений) и космической физиологии (длительное пребывание в невесомости приводит к значительной атрофии постуральных мышц, в частности, камбаловидной мышцы). Однако в настоящее время внутриклеточные сигнальные механизмы, регулирующие синтез белка в скелетных мышцах млекопитающих в условиях функциональной разгрузки (вызывающей мышечную атрофию) исследованы недостаточно. В связи с этим в рамках настоящего проекта будут продолжены начатые в 2017 году исследования молекулярных механизмов развития мышечной атрофии, вызванной бездействием (disuse atrophy). Функциональная разгрузка мышц задних конечностей будет осуществляться стандартным методом антиортостатического вывешивания грызунов (англ.- hindlimb suspension, HS) (Новиков, Ильин, 1981; Morey-Holton, 2002).С помощью специфических ингибиторов планируется выявить вклад двух ключевых сигнальных путей (GSK3beta-зависимого и mTORC1-зависимого) в процессы трансляционной ёмкости и эффективности в камбаловидной мышце (m. soleus) крысы на разных стадиях процесса функциональной разгрузки: 1 сутки (начальный этап развития процесса, когда ещё не наблюдается морфологических проявлений атрофии) и 7 суток (когда атрофия мышечных волокон уже имеет место). Понимание механизмов регуляции синтеза белка в условиях функциональной разгрузки может стать базой для разработки более эффективных средств профилактики мышечной атрофии и, таким образом, найти применение как в космической физиологии, так и реабилитационной медицине.
Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта ожидается получить новые данные о вкладе внутриклеточных сигнальных путей (GSK3beta-зависимого и mTORC1-зависимого) в регуляцию белкового синтеза в постуральной камбаловидной мышце крысы в условиях функциональной разгрузки. В частности, используя современные биохимические/молекулярно-биологические методы исследования (гель-электрофорез в ПААГ и агарозном геле, иммуноблоттинг, метод пуромицинового мечения SUnSET, метод ПЦР), планируется оценить активность ключевых маркеров (регуляторных молекул), которые принимают участие в регуляции как трансляционной эффективности (фосфорилирование киназы рибосомального белка S6 (p70S6K), рибосомального белка S6 (rpS6), белка, связывающего фактор инициации трансляции 4E (4E-BP1 и др.)), так и трансляционной ёмкости (маркеры биогенеза рибосом с-Myc, 45S-пре-рРНК, 18S и 28S рРНК). Предполагаемые результаты исследований соответствуют современному уровню исследований в области биохимии и молекулярной биологии скелетных мышц млекопитающих. В частности, на таком уровне ведутся исследования в лабораториях США (Baehr et al., 2017, J Appl Physiol 122(5):1336-1350; West et al., 2016, J Physiol.594(2):453-68; Miller et al., 2019, J Cachexia Sarcopenia Muscle.10(6):1195-1209), Западной Европы (Demangel et al., 2017, J Physiol.595(13):4301-4315; Gambara et al., 2017, Front Physiol.8:279. doi: 10.3389/fphys.2017.00279; Arc-Chagnaud et al., 2020, Front Physiol,11:71. doi: 10.3389/fphys.2020.00071) и Японии (Egawa et al., 2015, Am J Physiol Endocrinol Metab, 309(7):651-662; Egawa et al., 2018, Int J Mol Sci. 2018 Sep 27;19(10), doi: 10.3390/ijms19102954; Nakai et al., 2018, J Cell Biochem,119(2):2094-2101). Полученные в рамках данного проекта результаты имеют значение, прежде всего, для фундаментальной биологии и медицины, однако результаты проекта могут в дальнейшем использоваться для разработки фармакологических средств профилактики атрофических изменений в скелетных мышцах человека, что представляет значение для практики космической и реабилитационной медицины.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На первом этапе выполнения проекта планировалось выявить возможную роль белкового комплекса «механическая мишень рапамицина, комплекс 1» (mTORC1) в постуральной камбаловидной мышце (m.soleus) крысы в регуляции процессов, связанных с биогенезом рибосом в условиях 1-суточной (начальный этап, на котором атрофия ещё не выражена) и 7-суточной функциональной разгрузки (этап, на котором выражена мышечная атрофия) (создаваемой путём антиортостатического вывешивания). В связи с этим были проведены эксперименты, в которых лабораторные крысы Вистар подвергались антиортостатическому вывешиванию (1 или 7 суток) и одновременному внутрибрюшинному введению рапамицина (1,5 мг/кг). После завершения 2 -х экспериментов с антиортостатическим вывешиванием у крыс из каждой группы под авертиновым наркозом выделялись камбаловидные мышцы из задних конечностей, быстро взвешивались на электронных весах и немедленно замораживалась в жидком азоте для дальнейшего анализа (гель-электрофорез белков/РНК, иммуноблоттинг, ПЦР-РВ). Интенсивность белкового синтеза была определена с помощью метода пуромицинового мечения SunSET. Экспрессия генов, вовлечённых в регуляцию биогенеза рибосом (UBF-1, c-Myc) и протеолиз (atrogin-1, MuRF-1, убиквитин) была определена методом ПЦР в реальном времени. Содержание/фосфорилирование маркеров mTORC1 и содержание MuRF-1 было оценено с помощью гель-электрофореза в ПААГ и иммуноблоттинга. Содержание 18S и 28S рРНК было оценено с помощью электрофореза в 1,2% агарозном геле. По результатам выполненной работы были сделаны следующие выводы: 1) ингибирование комплекса mTORC1 на фоне 1-суточного антиортостатического вывешивания крыс Вистар способно полностью предотвратить снижение рибосомального биогенеза (судя по таким маркерам, как 45S пре-рРНК, 18S рРНК и 28S рРНК), а также частично предотвратить снижение белкового синтеза в камбаловидной мышце; 2) ингибирование комплекса mTORC1 на фоне 7-суточного антиортостатического вывешивания крыс Вистар не оказывает существенного влияния на маркеры рибосомального биогенеза (c-Myc, UBF-1, 45S пре-рРНК, 18S рРНК), но предотвращает увеличение экспрессии MuRF-1 и убиквитина в камбаловидной мышце. Важным наблюдением в рамках настоящей работы явилось отсутствие влияния рапамицина на ключевые параметры рибосомального биогенеза в m. soleus крысы в условиях 7-суточной функциональной разгрузки. Это обстоятельство существенно отличает первую экспериментальную серию (1-суточное вывешивание) от второй экспериментальной серии (7-суточное вывешивание). Полученные данные дают основания полагать, что на разных этапах функциональной разгрузки задних конечностей крысы в m. soleus реализуются различные молекулярные механизмы, связанные с регуляцией биогенеза рибосом.
За отчётный период было сделано несколько докладов на международных конференциях, а также опубликовано 2 статьи в журнале, входящем в базу данных Web of Science Core Collection (первый квартиль (Q1) в категории BIOCHEMISTRY & MOLECULAR BIOLOGY по JCR). Таким образом, план работы, запланированный на первый год выполнения проекта "продление", был успешно выполнен.
Публикации
1. Мирзоев Т.М. Skeletal Muscle Recovery from Disuse Atrophy: Protein Turnover Signaling and Strategies for Accelerating Muscle Regrowth International Journal of Molecular Sciences, 21(21):7940 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/ijms21217940
2. Мирзоев Т.М., Шарло К.А., Шенкман Б.С. The Role of GSK-3β in the Regulation of Protein Turnover, Myosin Phenotype, and Oxidative Capacity in Skeletal Muscle under Disuse Conditions International Journal of Molecular Sciences, 2021; 22(10):5081. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/ijms22105081
3. Мирзоев Т.М., Вильчинская Н.А., Парамонова И.И., Белова С.П., Мочалова Е.П., Шенкман Б.С. The role of AMPK activity in the regulation of protein turnover signaling in rat postural muscle under mechanical unloading 14th UK Neuromuscular Translational Research Conference, - (год публикации - 2021)
4. Мирзоев Т.М., Вильчинская Н.А., Парамонова И.И., Белова С.П., Мочалова Е.П., Шенкман Б.С. Modulation of AMPK activity and protein turnover signaling in disused rat soleus muscle 13th International Fully Digital Conference on Cachexia, Sarcopenia and Muscle Wasting, P. 150 (год публикации - 2020)
5. Мирзоев Т.М., Парамонова И.И., Рожков С.В., Белова С.П., Вильчинская Н.А., Шенкман Б.С. Metformin administration mitigates disuse-induced rat soleus muscle wasting 13th International Fully Digital Conference on Cachexia, Sarcopenia and Muscle Wasting, - (год публикации - 2020)
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором этапе выполнения проекта планировалось выявить возможную роль киназы гликогенсинтазы-3 (GSK-3) в постуральной камбаловидной мышце (m.soleus) крысы в регуляции процессов, связанных с биогенезом рибосом/синтезом белка в условиях 1-суточной (начальный этап, на котором атрофия ещё не выражена) и 7-суточной функциональной разгрузки (этап, на котором выражена мышечная атрофия). В связи с этим были проведены эксперименты, в которых лабораторные крысы Вистар подвергались антиортостатическому вывешиванию (1 или 7 суток) и одновременному внутрибрюшинному введению ингибитора GSK-3 - AR-A014418 (4 мг/кг внутрибрюшинно). После завершения 2 -х экспериментов с антиортостатическим вывешиванием у крыс из каждой группы под авертиновым наркозом выделялись камбаловидные мышцы из задних конечностей, быстро взвешивались на электронных весах и немедленно замораживалась в жидком азоте для дальнейшего анализа (гель-электрофорез белков/РНК, иммуноблоттинг, ПЦР-РВ). Интенсивность белкового синтеза была определена с помощью метода пуромицинового мечения SUnSET. По результатам выполненной работы были сделаны следующие выводы:
1) ингибирование GSK-3 на фоне 1-суточного антиортостатического вывешивания крыс Вистар не оказало существенного влияния на снижение рибосомального биогенеза (судя по таким маркерам, как c-Myc, 45S пре-рРНК, 18S рРНК и 28S рРНК) и интенсивности белкового синтеза в камбаловидной мышце;
2) ингибирование GSK-3 на фоне 7-суточного антиортостатического вывешивания крыс Вистар предотвратило снижение основных маркеров биогенеза рибосом (c-Myc, 45S пре-рРНК, 18S рРНК и 28S рРНК), а также частично предотвратило уменьшение интенсивности белкового синтеза и диаметра "медленных" мышечных волокон. Таким образом, повышенная киназная активность GSK-3 может вносить вклад в снижение биогенеза рибосом и синтеза белка в m. soleus крысы в условиях 7-суточной функциональной разгрузки.
Кроме того, за отчётный период, был проведён дополнительный эксперимент по оценке влияния ингибирования GSK-3 на фоне 7-суточной функциональной разгрузки на параметры биогенеза митохондрий. Было установлено, что введение ингибитора GSK-3 на фоне 7-суточной функциональной разгрузки приводит к достоверному повышению содержания митохондриальной ДНК, увеличению экспрессии транскрипционного коактиватора PGC1α, митофузина-1 и - 2, а также митохондриального транскрипционного фактора А (TFAM) по сравнению с группой 7-суточной функциональной разгрузки без введения ингибитора GSK-3 (плацебо).
Также было проанализировано влияние хлорида лития (LiCl) на экспрессию ключевых маркеров анаболических и катаболических сигнальных путей в камбаловидной мышце крыс в условиях функциональной разгрузки. Было установлено, что введение LiCl на фоне функциональной разгрузки сопровождалось полным или частичным предотвращением активации экспрессии ряда ключевых маркеров протеолитических систем.
За отчётный период было сделано 7 докладов на российских и международных конференциях, а также подготовлены 3 статьи. Одна из статей была опубликована в журнале, входящем в базу данных Web of Science Core Collection (Q1 в категории BIOCHEMISTRY & MOLECULAR BIOLOGY по JCR). Таким образом, план работы, запланированный на второй год выполнения проекта, был успешно выполнен.
Публикации
1. Львова И.Д., Шарло К.А., Рожков С.В., Мирзоев Т.М., Шенкман Б.С. The Role of Glycogen Synthase Kinase 3 Activity in the Regulation of Mitochondrial Biogenesis in Rat Postural Muscle under Hindlimb Unloading BIOCHEMISTRY MOSCOW SUPPLEMENT SERIES A-MEMBRANE AND CELL BIOLOGY / BIOLOGICHESKIE MEMBRANY, 15, 4, p. 372–377 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1134/S1990747821060076
2. Львова И.Д., Шарло К.А., Рожков С.В., Мирзоев Т.М., Шенкман Б.С. Ингибирование GSK-3 на фоне 7 суток функциональной разгрузки предотвращает инактивацию митохондриального биогенеза в камбаловидной мышце крыс Рецепторы и внутриклеточная сигнализация. Сборник статей. Том 2. / Под редакцией А.В. Бережнова, В.П. Зинченко – Серпухов: Типография Пятый Формат, 2021– 392 с., Т.2. С. 421-425 (год публикации - 2021)
3. Рожков С.В., Шарло К.А., Шенкман Б.С., Мирзоев Т.М. The Role of Glycogen Synthase Kinase-3 in the Regulation of Ribosome Biogenesis in Rat Soleus Muscle under Disuse Conditions International Journal of Molecular Sciences, 23, 2751 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ijms23052751
4. Рожков С.В., Шарло К.А., Шенкман Б.С., Мирзоев Т.М. ВКЛАД mTORC1 и GSK-3 в РЕГУЛЯЦИЮ БИОГЕНЕЗА РИБОСОМ В ПОСТУРАЛЬНОЙ МЫШЦЕ КРЫСЫ В УСЛОВИЯХ МОДЕЛИРУЕМОЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ Авиакосмическая и экологическая медицина, - (год публикации - 2022)
5. Львова И.Д., Шарло К.А., Рожков С.В., Мирзоев Т.М., Шенкман Б.С. Исследование роли GSK-3 в регуляции митохондриального биогенеза в постуральной мышце крысы в условиях функциональной разгрузки V Российский симпозиум с международным участием «Клеточная сигнализация: итоги и перспективы». Тезисы докладов., с. 61 (год публикации - 2021)
6. Мирзоев Т.М., Рожков С.В., Шарло К.А., Шенкман Б.С. РОЛЬ mTOR И GSK-3 В РЕГУЛЯЦИИ БИОГЕНЕЗА РИБОСОМ В КАМБАЛОВИДНОЙ МЫШЦЕ КРЫСЫ В УСЛОВИЯХ 7-СУТОЧНОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ РАЗГРУЗКИ ЗАДНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ III ОБЪЕДИНЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ ФИЗИОЛОГОВ, БИОХИМИКОВ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ БИОЛОГОВ. НАУЧНЫЕ ТРУДЫ, Т.1, С. 55-56 (год публикации - 2021)
7. Мирзоев Т.М., Рожков С.В., Шарло К.А., Шенкман Б.С. Possible roles of mTORC1 and GSK-3 in the regulation of ribosome biogenesis in the atrophying rat postural muscle Acta Biochimica Polonica, Vol. 68 No. S1, p. 22 (год публикации - 2021)
8. Мирзоев Т.М., Рожков С.В., Шарло К.А., Шенкман Б.С. The role of glycogen synthase kinase-3 in the regulation of ribosome biogenesis in rat soleus muscle under hindlimb unloading FEBS Open Bio, 11 (Suppl 1), p.153 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/2211-5463.13205
9. Рожков С.В., Шарло К.А., Львова И.Д. Роль GSK-3 в регуляции биогенеза рибосом в m. soleus крысы на разных сроках моделируемой гравитационной разгрузки XIX Конференция молодых учёных, специалистов и студентов, посвящённая 60-летию первого полёта человека в космос. Материалы конференции., с. 65-66 (год публикации - 2021)
10. Рожков С.В., Шарло К.А., Львова И.Д., Мирзоев Т.М., Шенкман Б.С. The Potential Role of GSK-3 in the Regulation of Ribosome Biogenesis in Rat Soleus Muscle at the Early Stages of Mechanical Unloading Molecular Biology of the Cell, Vol. 32, No. 22, p.538-539 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1091/mbc.E21-11-0545
11. Рожков С.В., Шарло К.А., Мирзоев Т.М., Шенкман Б.С. Possible role of mTORC1 in the regulation of ribosome biogenesis in rat soleus muscle at the initial stage of mechanical unloading FEBS Open Bio, 11 (Suppl 1), p. 157 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/2211-5463.13205
12. Рожков С.В., Шарло К.А., Шенкман Б.С., Мирзоев Т.М. Роль GSK-3 в регуляции трансляционной ёмкости в постуральной мышце крысы в условиях функциональной разгрузки V Российский симпозиум с международным участием «Клеточная сигнализация: итоги и перспективы. Тезисы докладов., с. 100-101 (год публикации - 2021)
13. Шарло К.А., Рожков С.В., Мирзоев Т.М., Шенкман Б.С. ВВЕДЕНИЕ ИНГИБИТОРА mTOR РАПАМИЦИНА ЧАСТИЧНО ПРЕДОТВРАЩАЕТ ПАДЕНИЕ УРОВНЯ РИБОСОМАЛЬНЫХ ГЕНОВ И СНИЖЕНИЕ СИНТЕЗА БЕЛКА В КАМБАЛОВИДНОЙ МЫШЦЕ ПОСЛЕ 24 ЧАСОВ ВЫВЕШИВАНИЯ ЗАДНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ КРЫС III ОБЪЕДИНЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ ФИЗИОЛОГОВ, БИОХИМИКОВ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ БИОЛОГОВ. НАУЧНЫЕ ТРУДЫ., Т.1, С.126 (год публикации - 2021)
14. - Ученые нашли способ борьбы с атрофией скелетных мышц Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )
15. - Найден механизм, способный бороться с атрофией мышц у космонавтов ТАСС наука, - (год публикации - )
16. - Открыт новый способ лечения атрофии скелетных мышц InScience.News, - (год публикации - )
17. - УЧЕНЫЕ ИМБП РАН НАШЛИ СПОСОБ БОРЬБЫ С АТРОФИЕЙ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ Портал "Научная Россия", - (год публикации - )
18. - Российские ученые нашли способ борьбы с атрофией скелетных мышц Поиск, - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано