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 22-75-10046
НазваниеАнаболическая функция механо-активируемых ионных каналов скелетных мышц
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 | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «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, миобласты C2C12, механо-управляемые ионные каналы, эксцентрические сокращения, электростимуляция, Piezo1, NO, синтез белка, анаболические сигнальные пути, биогенез рибосом.
Код ГРНТИ34.19.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Скелетные мышцы составляют до 40% от массы тела взрослого человека (Lee et al., 2000), обеспечивая двигательную активность (локомоции), позно-тоническую, дыхательную функции, а также выполняя эндокринную (миокины) и метаболическую функции (поддержание углеводного и белкового обмена на уровне целого организма) (Pedersen and Fabbraio, 2012; Izumiya et al., 2008; Argilés et al., 2016). В связи с этим, поддержание нормальной массы и функции скелетных мышц является необходимым условием для поддержания общего физического здоровья и качества жизни. Ткань скелетных мышц очень пластична, что проявляется в глубоких изменениях метаболизма в ответ на различные внешние воздействия. Хорошо известно, что хроническая физическая нагрузка (механические стимулы) в виде силовых тренировок способна значительно активировать анаболические процессы (синтез белка) и приводить к гипертрофии мышечных волокон (Goldberg et al., 1975; Phillips, 2014; Joanisse et al., 2020), тогда как длительное отсутствие/снижение физической нагрузки (постельная гипокинезия, иммобилизация конечности, пребывание в невесомости) выражается в снижении синтеза белка, активации протеолиза и последующей атрофии мышечных волокон (Loughna et al.,1986; Goldspink et al., 1986; Ohira et al.,1992; Fitts et al., 2001; Baehr et al., 2017; Paddon-Jones et al., 2006; Wall et al., 2013). Ключевую роль в регуляции мышечной массы играют механосенсоры, воспринимающие механические возмущения (стимулы) и преобразующие их в биохимические пути сигнальной трансдукции, отвечающие за регуляцию синтеза белка в мышечном волокне (анаболическая механотрансдукция). На молекулярном уровне, механические сигналы детектируются находящимися в клеточной мембране механо-управляемыми ионными каналами (stretch-activated channels или mechanically activated/gated channels). Ключевыми механо-активируемыми катионными каналами являются Piezo-1, однако их роль в реализации анаболического механического сигнала в скелетных мышцах млекопитающих остаётся малоисследованной. Поэтому, используя различные экспериментальные подходы (изолированная скелетная мышца крысы, культура клеток C2C12), в рамках настоящего проекта планируется провести комплексное исследование анаболической функции механо-управляемых ионных каналов. Впервые будет выявлен потенциальный вклад Piezo-1 в регуляцию синтеза белка в скелетной мышце (и миотубах С2С12) в ответ на механические стимулы. Кроме того, впервые будут исследованы эффекты напряжения сдвига (shear stress) и пульсовой электростимуляции на анаболические и нитроэргические (NO-зависимые) сигнальные ответы механо-управляемых ионных каналов. Также впервые предполагается оценить роль липидных рафтов и примембранной актиновой сети в регуляции сигнальной функции механо-активируемых ионных каналов в мышечных клетках. Понимание молекулярных механизмов регуляции механо-управляемых ионных каналов, а также функции этих каналов в передачи анаболического сигнала в мышечных клетках необходимо для разработки таргетных фармакологических подходов с целью профилактики мышечной атрофии, вызванной гипокинезией, эффективной регенерации мышечной ткани после повреждений, а также для терапии лечения ряда мышечных патологий (миопатий).
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения настоящего проекта ожидается получить новые данные о роли механо-управляемых ионных каналов скелетной мышцы в процессе анаболической механотрансдукции, т.е. преобразовании механических сигналов в биохимический каскад реакций, регулирующих синтез мышечных белков. С этой целью планируется разработать и апробировать экспериментальные модели для физиологического исследования анаболической функции механо-управляемых ионных каналов ex vivo (изолированная мышца) и in vitro (культура клеток C2C12). Используя ингибиторный анализ планируется установить молекулярную природу механо-управляемых ионных каналов, влияющих на продукцию оксида азота (NO) и внутриклеточные анаболические сигнальные пути. Планируется оценить влияние напряжения сдвига (shear stress) и пульсовой электростимуляции на анаболические и нитроэргические (NO-зависимые) сигнальные ответы механо-управляемых ионных каналов (Piezo-1). Также будет проверена гипотеза о вкладе холестериновых плотиков (рафтов) и актиновых стресс-фибрилл в реализацию анаболического и нитроэргического сигналов при участии механо-управляемых ионных каналов. Планируемые исследования физиологических функций механо-активируемых ионных каналов в скелетной мышце соответствуют мировым трендам биомедицинских исследований (в 2021 году Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за открытие рецепторов темературы и давления, представляющих собой ионные каналы семейств TRP и Piezo). Полученные в ходе реализации проекта данные будут иметь значение не только для фундаментальной науки, но также могут обладать потенциалом практического использования. Так, механо-управляемые ионные каналы являются перспективными молекулярными мишенями для таргетной терапии ряда заболеваний скелетных мышц (миопатии, связанные с нарушением работы ионных каналов). Полученные результаты могут найти применение в реабилитационной и космической медицине (ускорение восстановления мышечной массы у пациентов после длительного периода гипокинезии/иммобилизации конечности/паралича, а также у космонавтов после продолжительных космических полётов).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В первый год выполнения проекта было запланировано проведение эксперимента с механической нагрузкой (серия растяжений) изолированной камбаловидной мышцы c одновременным ингибированием или активацией механо-активируемых (МА) каналов. Крысы Вистар были разделены на 3 группы: 1) группа без добавления ингибитора или активатора механо-активируемых каналов в раствор с изолированной мышцей («Контроль»), 2) группа животных с добавлением хлорида гадолиния (ингибитор механо-активируемых каналов) в раствор с изолированной мышцей («Гадолиний») и 3) группа c добавлением активатора каналов Piezo1 в раствор с изолированной мышцей («Yoda»). В каждой группе мышца из левой конечности оставалась в растворе Рингера-Кребса в состоянии покоя (resting), а мышца из правой конечности подвергалась механической нагрузке в виде цикла пассивных растяжений (stretch) согласно протоколу, изложенному в работе Rindom et al. (2019). За отчётный период был проведён дополнительный эксперимент на культуре клеток C2C12. В эксперименте использовали три варианта обработки клеток C2C12, находящихся на стадии 7-суточной дифференцировки: 1) Y – обработка клеток Yoda1 (активатор каналов Piezo1), 2) Gd – обработка клеток гадолинием (ингибитор МА каналов), 3) Y+Gd – обработка клеток гадолинием с последующей стимуляцией Yoda1. В качестве контроля использовали клетки без обработки (Cntr). За отчётный период были получены следующие основные научные результаты: 1. Инкубация изолированных камбаловидных мышц крысы в растворе с ингибитором механо-активируемых каналов (гадолинием) и активатором канала Piezo1 (Yoda1) после серии механических воздействий в виде мышечных растяжений привела к снижению механо-зависимой активации mTORC1-зависимого сигнального пути. Полученные данные указывают на то, каналы Piezo1 не участвуют в проведении механического сигнала к сигнальному пути mTORC1/p70S6K при применяемых в настоящем исследовании механических воздействиях и сроках инкубации с Yoda1 и гадолинием. 2. Инкубация изолированных камбаловидных мышц крысы в растворе с гадолинием и Yoda1 предотвращает активацию ERK-зависимого сигнального пути в ответ на серию механических воздействий в виде мышечных растяжений. 3. Инкубация изолированных камбаловидных мышц с гадолинием предотвратила механо-зависимое увеличение содержания IRS-1 в мышечной ткани. 4. Инкубация покоящихся камбаловидных мышц в растворе с Yoda1 привела к увеличению экспрессии мРНК c-Myc, 45S pre-rRNA и повышению общего содержания rpS6. 5. Инкубация камбаловидных мышц, которые подвергались механическому воздействию, в растворе с гадолинием и Yoda1 увеличила содержание общей РНК, а также 18S и 28S рРНК в этих мышцах. 6. Инкубирование миотуб C2C12 (на стадии 7-суточной дифференцировки) с Yoda1, Gd3+ и Yoda1+Gd3+ не привело к каким-либо изменениям фосфорилирования p70S6K, rpS6 (маркеры mTORC1) и ACC (маркер AMPK). За отчётный период была опубликована одна обзорная статья по тематике исследования в журнале Life (Basel) (doi: 10.3390/life13020341). Также одна экспериментальная статья по тематике проекта принята к публикации в журнале "Биологические мембраны". За отчётный период был сделан устный доклад на III Объединённом научном форуме физиологов, биохимиков и молекулярных биологов (Сочи, 3-8 октября 2022 г.). Также планируется сделать устный доклад на международной конференции "Рецепторы и внутриклеточная сигнализация" (23 мая 2023 г., Пущино, Московская область).
Публикации
1. Сергеева К.В., Тыганов С.А., Калашников В.Е., Шенкман Б.С., Мирзоев Т.М. Анализ роли каналов Piezo1 в механо-анаболическом сопряжении в камбаловидной мышце крысы Биологические мембраны, - (год публикации - 2023)
2. Мирзоев Т.М. Mechanotransduction for Muscle Protein Synthesis via Mechanically Activated Ion Channels Life, 13 (2), 341 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/life13020341
3. Мирзоев Т.М., Тыганов С.А., Шенкман Б.С. Потенциальная роль механо-управляемых ионных каналов в регуляции анаболического сигналинга и синтеза белка в постуральной мышце крысы III ОБЪЕДИНЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ ФИЗИОЛОГОВ, БИОХИМИКОВ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ БИОЛОГОВ, НАУЧНЫЕ ТРУДЫ. М.: Издательство «Перо», 2022., Т.3.стр.105 (год публикации - 2022)