Российские ученые выяснили, что важную роль в атрофии скелетных мышц у крыс играет фермент протеинкиназа GSK-3. Если его заблокировать с помощью ингибитора, можно снизить скорость патологического процесса. Такой подход позволит разработать новые эффективные средства профилактики атаксии у космонавтов и пациентов земных реабилитационных центров. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.
Роль активности GSK-3 в подавлении биогенеза рибосом, синтеза белка и возникновении атрофии волокон камбаловидной мышцы в условиях функциональной разгрузки. Источник: Тимур Мирзоев
Скелетные мышцы — важная часть опорно-двигательного аппарата. Именно они отвечают за движения, сокращение голосовых связок, дыхание и прочее. В условиях микрогравитации, постельного режима, обездвиживания конечностей и искусственной вентиляции легких скелетные мышцы не используются. Из-за этого могут значительно снижаться их масса, сила и в целом способность сокращаться. Даже короткие периоды бездействия могут быть опасны, например, для пожилых людей с саркопенией — возрастной атрофией мышц. Неиспользование скелетной мускулатуры для них чревато повышенным риском падений, переломов, развитием метаболических заболеваний и другими негативными последствиями для здоровья.
В связи с этим важно исследовать процессы, приводящие к мышечной атрофии. Основными из них считают замедление синтеза и одновременное ускорение распада мышечного белка. Скорость его образования во многом зависит от количества рибосом в мышечных волокнах. Именно с помощью этих внутриклеточных структур в организме создаются новые белки из аминокислот. Формирование новых рибосом (биогенез) — сложный клеточный процесс, требующий работы множества различных ферментов. Именно благодаря ему после силовых тренировок белки в мышцах синтезируются интенсивнее, в результате чего растет мышечная масса. Во время функциональной разгрузки, например при долгом бездействии, происходит обратный процесс — биогенез рибосом и синтез белков снижаются, причем как у крыс, так и у людей. Однако молекулярные механизмы таких событий оставались неисследованными. Сегодня известно только, что важную роль в процессе может играть фермент киназа гликогенсинтазы-3 (GSK-3).
Ученые из Института медико-биологических проблем РАН (Москва) выяснили, что ингибитор протеинкиназы GSK-3 в период бездействия мышц частично предотвращает снижение синтеза мышечного белка. Биологи провели исследование на самцах крыс, у которых камбаловидные мышцы, расположенные на задней стороне голени, подвергались различным нагрузкам. Так, в рамках эксперимента животных случайным образом разделили на четыре группы. В первой крысы имели естественную весовую нагрузку в виде собственного тела — сидели и ходили по полу клетки, — во второй вдобавок получали инъекции ингибитора GSK-3. В третьей животных подвешивали таким образом, чтобы «разгрузить» задние конечности, а в четвертой, помимо подвешивания, им также делали инъекции препарата.
Спустя семь дней эксперимента камбаловидные мышцы крыс вырезали и заморозили в жидком азоте. Поперечные срезы полученной мышечной ткани специальным образом окрашивали и фотографировали под флуоресцентным микроскопом для анализа диаметра волокон. Кроме того, молекулярными методами ученые определили скорость синтеза белка, а также количество молекул-предшественников рибосом в клетках, что позволило оценить, насколько быстро идет биогенез этих структур.
Оказалось, что масса камбаловидных мышц у крыс из третьей группы, которые не испытывали никаких нагрузок, снизилась на 27%, а диаметр мышечных волокон уменьшился почти на 40%. Кроме того, «разгрузка» задних конечностей снизила скорость синтеза белка в камбаловидной мышце на 82% по сравнению с крысами из контрольной группы, задние конечности которых находились под нагрузкой. Введение ингибитора GSK-3 на фоне функциональной разгрузки позволило приостановить процесс деградации на 22%, благодаря чему площадь поперечного сечения мышечных волокон уменьшилась не так сильно.
«Исследование дает основания полагать, что GSK-3 может стать перспективной молекулярной мишенью для терапии мышечной атрофии, вызванной длительным бездействием. Это позволит предотвратить эту патологию у пациентов, вынужденных соблюдать длительный постельный режим, а также у космонавтов, проводящих в условиях невесомости в среднем по шесть месяцев», — комментирует руководитель проекта по гранту РНФ Тимур Мирзоев, старший научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
