Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на биогенез внеклеточного матрикса в скелетной мышце человека

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Гипокинезия и старение вызывают выраженные нарушения функциональных возможностей и механических свойств скелетных мышц, а также ремоделирование внеклеточного матрикса (ВКМ). Цель исследования – изучить влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на биогенез ВКМ в скелетной мышце. Для количественного масс-спектрометрического протеомного анализа и РНК-секвенирования были взяты биопсические пробы из m. vastus lateralis у 15 молодых здоровых добровольцев, 8 молодых и 37 пожилых пациентов с многолетним первичным остеоартрозом коленного/тазобедренного сустава – модель для изучения эффектов хронического снижения двигательной активности мышц. Было детектировано 1022 мРНК и 101 белок ВКМ и ассоциированных с ВКМ белков (матрисом). Было выявлено специфическое для пожилых и молодых пациентов (относительно молодых здоровых людей) увеличение экспрессии двух десятков высокопредставленных белков матрисома; при этом изменения экспрессии мРНК, кодирующих регуляторы матрисома (энзиматические регуляторы и секретируемые белки) были похожи. Сопоставление с предыдущими протеомными и транскриптомными данными показало, что описанные изменения матрисома заметно отличались от изменений, вызванных аэробной физической тренировкой у молодых здоровых людей, в частности, по экспрессии доминирующих белков ВКМ и особенно по экспрессии мРНК энзиматических регуляторов ВКМ и секретируемых белков. Сопоставление профилей изменений экспрессии этих регуляторных генов может быть полезно для поиска фармакологических мишеней для профилактики неблагоприятных изменений/активации биогенеза ВКМ при различных патологических состояниях/физической тренировке.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. С. Курочкина

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

Е. М. Леднев

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

М. А. Орлова

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

М. А. Виговский

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: nadia_sk@mail.ru

Медицинский научно-образовательный центр

Россия, Москва

В. Г. Згода

ФГБНУ Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича

Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

Н. Е. Вавилов

ФГБНУ Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича

Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

Т. Ф. Вепхвадзе

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

П. А. Махновский

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

О. А. Григорьева

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: nadia_sk@mail.ru

Медицинский научно-образовательный центр

Россия, Москва

Я. Р. Бородай

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: nadia_sk@mail.ru

Медицинский научно-образовательный центр

Россия, Москва

В. В. Филиппов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: nadia_sk@mail.ru

Медицинский научно-образовательный центр

Россия, Москва

М. Ю. Высоких

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: nadia_sk@mail.ru

Научно-исследовательский институт физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского

Россия, Москва; Москва

А. Ю. Ефименко

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: nadia_sk@mail.ru

Медицинский научно-образовательный центр

Россия, Москва

Д. В. Попов

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Kjaer M. Role of extracellular matrix in adaptation of tendon and skeletal muscle to mechanical loading // Physiol. Rev. 2004. V. 84. № 2. P. 649.
  2. McKee T.J., Perlman G., Morris M.,Komarova S.V. Extracellular matrix composition of connective tissues: a systematic review and meta-analysis // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 10542.
  3. Campisi J., Kapahi P., Lithgow G.J. et al. From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing // Nature. 2019. V. 571. № 7764. P. 183.
  4. Lopez-Otin C., Blasco M.A., Partridge L. et al. Hallmarks of aging: An expanding universe // Cell. 2023. V. 186. № 2. P. 243.
  5. Furrer R., Handschin C. Drugs, clocks and exercise in ageing: hype and hope, fact and fiction // J. Physiol. 2023. V. 601. № 11. P. 2057.
  6. Marcucci L., Reggiani C. Increase of resting muscle stiffness, a less considered component of age-related skeletal muscle impairment // Eur. J. Transl. Myol. 2020. V. 30. № 2. P. 8982.
  7. Pavan P., Monti E., Bondi M. et al. Alterations of extracellular matrix mechanical properties contribute to age-related functional impairment of human skeletal muscles // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 11. P. 3992.
  8. Wood L.K., Kayupov E., Gumucio J.P. et al. Intrinsic stiffness of extracellular matrix increases with age in skeletal muscles of mice // J. Appl. Physiol. 2014. V. 117. № 4. P. 363.
  9. Olson L.C., Redden J.T., Schwartz Z. et al. Advanced glycation end-products in skeletal muscle aging // Bioengineering (Basel). 2021. V. 8. № 11. P. 168.
  10. Fede C., Fan C., Pirri C. et al. The Effects of Aging on the Intramuscular Connective Tissue // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 19. P. 11061.
  11. Ubaida-Mohien C., Lyashkov A., Gonzalez-Freire M. et al. Discovery proteomics in aging human skeletal muscle finds change in spliceosome, immunity, proteostasis and mitochondria // Elife. 2019. V. 8. P. e49874.
  12. Nederveen J.P., Joanisse S., Thomas A.C.Q. et al. Age-related changes to the satellite cell niche are associated with reduced activation following exercise // FASEB. J. 2020. V. 34. № 7. P. 8975.
  13. Haus J.M., Carrithers J.A., Trappe S.W., Trappe T.A. Collagen, cross-linking, and advanced glycation end products in aging human skeletal muscle // J. Appl. Physiol. (1985). 2007. V. 103. № 6. P. 2068.
  14. Mavropalias G., Boppart M., Usher K.M. et al. Exercise builds the scaffold of life: muscle extracellular matrix biomarker responses to physical activity, inactivity, and aging // Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 2023. V. 98. № 2. P. 481.
  15. Murgia M., Toniolo L., Nagaraj N. et al. Single muscle fiber proteomics reveals fiber-type-specific features of human muscle aging // Cell. Rep. 2017. V. 19. № 11. P. 2396.
  16. Kurochkina N.S., Orlova M.A., Vigovskiy M.A. et al. Age-related changes in human skeletal muscle transcriptome and proteome are more affected by chronic inflammation and physical inactivity than primary aging // Aging. Cell. 2024. № 4. P. e14098.
  17. Lofaro F.D., Cisterna B., Lacavalla M.A. et al. Age-related changes in the matrisome of the mouse skeletal muscle // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 19. P. 10564.
  18. Suetta C., Aagaard P., Magnusson S.P. et al. Muscle size, neuromuscular activation, and rapid force characteristics in elderly men and women: effects of unilateral long-term disuse due to hip-osteoarthritis // J. Appl. Physiol. 2007. V. 102. № 3. P. 942.
  19. Callahan D.M., Miller M.S., Sweeny A.P. et al. Muscle disuse alters skeletal muscle contractile function at the molecular and cellular levels in older adult humans in a sex-specific manner // J. Physiol. 2014. V. 592. № 20. P. 4555.
  20. Callahan D.M., Tourville T.W., Miller M.S. et al. Chronic disuse and skeletal muscle structure in older adults: sex-specific differences and relationships to contractile function // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 2015. V. 308. № 11. P. 932.
  21. Miller M.S., Callahan D.M., Tourville T.W. et al. Moderate-intensity resistance exercise alters skeletal muscle molecular and cellular structure and function in inactive older adults with knee osteoarthritis // J. Appl. Physiol. 2017. V. 122. № 4. P. 775.
  22. Shao X., Taha I.N., Clauser K.R. et al. MatrisomeDB: the ECM-protein knowledge database // Nucleic. Acids. Res. 2020. V. 48. № D1. P. D1136.
  23. Леднев Е.М., Лысенко Е.А., Згода В.Г. и др., Восьминедельная аэробная тренировка активирует биогенез внеклеточного матрикса в скелетной мышце человека // Физиология человека. 2023. Т. 49. № 2. С. 44.
  24. Ware J., Jr., Kosinski M., Keller S.D. A 12-Item Short-Form Health Survey: construction of scales and preliminary tests of reliability and validity // Med. Care. 1996. V. 34. № 3. P. 220.
  25. Попов Д.В., Виноградова О.Л., Згода В.Г. Подготовка образцов скелетной мышцы человека для протеомных исследований с использованием изобарической метки iTRAQ // Молекулярная биология. 2019. T. 53. № 4. С. 685.
  26. Mays P.K., McAnulty R.J., Campa J.S., Laurent G.J. Age-related changes in collagen synthesis and degradation in rat tissues. Importance of degradation of newly synthesized collagen in regulating collagen production // Biochem. J. 1991. V. 276. № 2. P. 307.
  27. Kanazawa Y., Ikegami K., Sujino M. et al. Effects of aging on basement membrane of the soleus muscle during recovery following disuse atrophy in rats // Exp. Gerontol. 2017. V. 98. P. 153.
  28. Kovanen V., Suominen H., Risteli J., Risteli L. Type IV collagen and laminin in slow and fast skeletal muscle in rats--effects of age and life-time endurance training // Coll. Relat. Res. 1988. V. 8. № 2. P. 145.
  29. Thot G.K., Berwanger C., Mulder E. et al. Effects of long-term immobilisation on endomysium of the soleus muscle in humans // Exp. Physiol. 2021. V. 106. № 10. P. 2038.
  30. Gonzalez M.N., de Mello W., Butler-Browne G.S. et al. HGF potentiates extracellular matrix-driven migration of human myoblasts: involvement of matrix metalloproteinases and MAPK/ERK pathway // Skelet. Muscle. 2017. V. 7. № 1. P. 20.
  31. Karalaki M., Fili S., Philippou A., Koutsilieris M. Muscle regeneration: cellular and molecular events // In Vivo. 2009. V. 23. № 5. P. 779.
  32. Heinemeier K.M., Mackey A.L., Doessing S. et al. GH/IGF-I axis and matrix adaptation of the musculotendinous tissue to exercise in humans // Scand. J. Med. Sci. Sports. 2012. V. 22. № 4. P. e1.
  33. Torrente Y., Bella P., Tripodi L. et al. Role of insulin-like growth factor receptor 2 across muscle homeostasis: Implications for treating muscular dystrophy // Cells. 2020. V. 9. № 2. P. 441.
  34. Ikutomo M., Sakakima H., Matsuda F., Yoshida Y. Midkine-deficient mice delayed degeneration and regeneration after skeletal muscle injury // Acta. Histochem. 2014. V. 116. № 2. P. 319.
  35. Jones J.C., Kroscher K.A., Dilger A.C. Reductions in expression of growth regulating genes in skeletal muscle with age in wild type and myostatin null mice // BMC. Physiol. 2014. V. 14. P. 3.
  36. Duffy F.J., Jr., Seiler J.G., Gelberman R.H., Hergrueter C.A. Growth factors and canine flexor tendon healing: initial studies in uninjured and repair models // J. Hand. Surg. Am. 1995. V. 20. № 4. P. 645.
  37. Chen C.P., Yang Y.C., Su T.H. et al. Hypoxia and transforming growth factor-beta 1 act independently to increase extracellular matrix production by placental fibroblasts // J. Clin. Endocrinol. Metab. 2005. V. 90. № 2. P. 1083.
  38. Arai K.Y., Nishiyama T. Developmental changes in extracellular matrix messenger RNAs in the mouse placenta during the second half of pregnancy: possible factors involved in the regulation of placental extracellular matrix expression // Biol. Reprod. 2007. V. 77. № 6. P. 923.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Хроническое снижение двигательной активности у пожилых людей (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH) вызывают частично пересекающиеся между собой изменения в экспрессии мРНК (padj < 0.01) и белков (padj < 0.05) матрисома в m. vastus lateralis. Количество общих и уникальных мРНК (А и В) и белков (Б) показано на пересекающихся и непересекающихся областях диаграмм. Линиями показаны потенциальные белок-белковые взаимодействия; толщина линий пропорциональна релевантности взаимодействия.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменения профиля экспрессии мРНК секретируемых факторов (А) и энзиматических регуляторов ВКМ (Б) в m. vastus lateralis при хроническом снижении двигательной активности у пожилых (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH) и после 2-месячной аэробной тренировки. Представлены только значимые изменения (padj < 0.01) в виде log2.

Скачать (590KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменения экспрессии генов, кодирующих мРНК (padj < 0.01) и белки (padj < 0.05) матрисома, в m. vastus lateralis после 2-месячной аэробной тренировки значительно отличаются от изменений, вызванных хроническим снижением двигательной активности у пожилых (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH). Количество общих и уникальных мРНК (А и В) и белков (Б) показано на пересекающихся и непересекающихся областях диаграмм. Линиями показаны потенциальные белок-белковые взаимодействия; толщина линий пропорциональна релевантности взаимодействия.

Скачать (1023KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024