Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на биогенез внеклеточного матрикса в скелетной мышце человека
- Авторы: Курочкина Н.С.1, Леднев Е.М.1, Орлова М.А.1, Виговский М.А.2, Згода В.Г.3, Вавилов Н.Е.3, Вепхвадзе Т.Ф.1, Махновский П.А.1, Григорьева О.А.2, Бородай Я.Р.2, Филиппов В.В.2, Высоких М.Ю.1,2, Ефименко А.Ю.2, Попов Д.В.1
-
Учреждения:
- ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН
- Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
- ФГБНУ Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича
- Выпуск: Том 50, № 4 (2024)
- Страницы: 68-79
- Раздел: Статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/0131-1646/article/view/268060
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0131164624040063
- EDN: https://elibrary.ru/BTJTHU
- ID: 268060
Цитировать
Полный текст
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.
Ключевые слова
Полный текст
Внеклеточный матрикс (ВКМ) составляет до 10% массы скелетных мышц [1, 2] и играет ключевую роль в передаче усилия с сократительного аппарата скелетной мышцы на сухожилия и кости, сохранении целостности интенсивно сокращающихся/растягивающихся мышечных волокон, регуляции ремоделирования и регенерации поврежденной мышцы.
Возрастное снижение функциональных возможностей и массы скелетных мышц – это один из ключевых признаков старения. У пожилых людей наблюдается снижение окислительных возможностей скелетных мышц, их чувствительности к инсулину, а также работоспособности (выносливости) и силы, что негативно влияет на качество жизни [3–5]. Нужно отметить, что на фоне снижения массы мышц происходят выраженные и комплексные изменения в их механических свойствах. Так, в состоянии покоя у пожилых людей наблюдается увеличение жесткости мышечно-сухожильного комплекса, происходящее за счет роста жесткости фасции (эпимизия) и на фоне снижения жесткости сухожилия [6]. Единичные работы обнаружили возрастное увеличение жесткости перимизия и эндомизия (внутримышечная жесткость) у человека [7] и мыши [8], что может быть связано с увеличением содержания конечных продуктов гликирования [9] и/или концентрации белков ВКМ. У человека возрастное увеличение концентрации внутримышечного коллагена (включающего преимущественно коллаген 1 и 3 [2]) было отмечено в большинстве [7, 10–12], но не во всех исследованиях [13]. Необходимо отметить, что, несмотря на многолетнее изучение эффектов старения, данные о возраст-зависимом изменении экспрессии множества других генов, кодирующих белки мышечного ВКМ, представлены фрагментарно [14]. В частности, несколько работ изучали возрастные изменения протеома скелетной мышцы (m. vastus lateralis) человека [11, 15, 16], однако целенаправленное исследование белков ВКМ было выполнено только для мышцы (m. soleus) мыши [17].
Возрастные изменения мышечного ВКМ связаны с комплексным влиянием старения, хронического снижения двигательной активности, воспаления и других факторов. В настоящем исследовании изучали влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на биогенез ВКМ в биопсических пробах m. vastus lateralis (т.е. эндомизий и перимизий). Для этого мы проанализировали протеомные и транскриптомные данные из предыдущего исследования [16] и сопоставили изменения экспрессии генов, кодирующих белки матрисома (около 300 белков ВКМ и 750 ассоциированных с ним белков), в m. vastus lateralis у 1) молодых людей с многолетним первичным остеоартрозом коленного/тазобедренного сустава относительно молодых здоровых людей и 2) пожилых людей с таким же диагнозом относительно молодого здорового контроля (комплексное влияние старения и хронического снижения двигательной активности). Первичный остеоартроз широко используется как модель для изучения влияния хронического снижения двигательной активности на мышцы бедра [18–21]. Список белков матрисома (коллагены, неколлагеновые гликопротеины, протеогликаны, а также ВКМ-аффилированные белки и секретируемые факторы) был взят из базы данных MatrisomeDB [22]. Помимо этого, полученные результаты были сопоставлены с изменениями матрисома m. vastus lateralis молодых здоровых людей, вызванными 2-месячной аэробной тренировкой на велоэргометре и описанными ранее в работе [23].
МЕТОДИКА
Организация исследования. Как было описано нами в работе [16], в исследовании принимали участие 15 молодых здоровых добровольцев (YH; средний возраст и межквартильный разброс 35 [28–38] лет, М : Ж = 13 : 2), 37 пожилых (OP; 72 [69–77] года, М : Ж = 5:32) и 8 молодых (YP; 39 [37–42] лет, М : Ж = 7 : 1) пациентов с многолетним симптоматическим первичным остеоартрозом коленного/тазобедренного сустава. Уровень физических возможностей добровольцев оценивали по опроснику SF-12 [24].
Биопсия мышечной ткани. Пробы мышечной ткани из m. vastus lateralis были взяты утром натощак (через 10-12 ч после последнего приема пищи). У молодых здоровых добровольцев биопсию проводили под местной анестезией (2 мл 2% лидокаина) с использованием модифицированной иглы Бергстрома с аспирацией; у пациентов – инцизионным методом во время операции по замене коленного/тазобедренного сустава. Все образцы помещали в буфер Custodiol (Dr. Franz Köhler Chemie GmbH, Германия) и обрабатывали через 10–15 мин после биопсии: удаляли видимые фрагменты соединительной и жировой ткани, замораживали в жидком азоте и хранили при температуре –80°С.
РНК-секвенирование и обработка данных. Пробоподготовка и анализ данных описаны нами в работе [16]. Кратко, замороженные образцы мышечной ткани (~15 мг) лизировали в буфере ExtractRNA (Evrogen, Россия) с использованием механического гомогенизатора, суммарную РНК выделяли с помощью колонок с селективной сорбцией на кремниевой мембране (RNeasy Mini Kit, Qiagen, Германия). Концентрацию и целостность РНК оценивали с помощью флуориметрии (Qubit 4, ThermoScientific, США) и капиллярного электрофореза (TapeStation, Agilent, Германия) соответственно. Для приготовления библиотек использовали РНК с целостностью (индекс RIN) > 7. Цепь-специфичные библиотеки готовили с помощью набора NEBNext Ultra II Directional RNA Library Preparation kit (NEB, США) и секвенировали (75 нуклеотидов, с одного конца) со средней глубиной 66 млн прочтений на образец на секвенаторе NextSeq 550 (Illumina, США). Исходные данные секвенирования доступны в репозитории NCBI GEO: GSE242202.
Качество секвенирования оценивали с помощью инструмента FastQC (версия 0.11.5). Прочтения низкого качества и адаптерные последовательности были удалены (инструмент Timmomatic, версия 0.36), затем прочтения были выровнены на первичную сборку генома GRCh38.p13. Уникальные выровненные прочтения подсчитывали для известных экзонов каждого гена с использованием пакета Rsubread (среда R) и аннотации Ensembl (GRCh38.101). Изменение экспрессии генов оценивали методом DESeq2 (анализ непарных образцов с поправкой Бенджамини-Хохберга). Гены, изменившие экспрессию, определяли как белок кодирующие гены (а также полиморфные псевдогены и транслируемые псевдогены) с padj < 0.01, изменением экспрессии > 25% и уровнем экспрессии > 1 TPM (транскриптов на миллион, инструмент kallisto v0.46.2).
Протеомный анализ и обработка данных. Пробоподготовка и анализ данных описаны нами в работе [16]. Кратко, замороженные образцы мышечной ткани (~10 мг) гомогенизировали в 140 мкл лизирующего буфера (5% додецилсульфат натрия, 0.1 М Трис и 0.1 М дитиотреитол рН 7.6), затем кипятили (95°С, 5 мин) и обрабатывали фокусированным ультразвуком (сонификатор ME220, Covaris, США). Алкилирование (20 мМ йодацетамид, 15 мин) и гидролиз белка (2 ч при 47°С, трипсин и Lys-C, 1 : 15 и 1 : 30 соответственно, Promega, США) проводили на колонке S-Trap (ProtiFi, США). Пептиды (20 мкг) высушивали, ресуспендировали (100 мМ бикарбонат триэтиламмония), метили изобарическими метками (TMT 10-plex или 16-plex, Thermo Scientific, США) и затем объединяли.
Смесь меченых пептидов разделяли на 24 фракции по гидрофобности в основных условиях (ВЭЖХ Agilent 1200 (Agilent, США)), затем фракции объединяли (1 и 13 и т.д. для получения 12 фракций). Каждую фракцию трижды анализировали с помощью ВЭЖХ Ultimate 3000 RSLC nano system (Thermo Scientific) и масс-спектрометра Q Exactive HF-X (Thermo Scientific) с использованием наноэлектроспрея в режиме положительной ионизации.
Поиск и идентификацию пептидов и белков проводили с использованием платформы MaxQuant (2.1.4.0; Max Planck Institute of Biochemistry) при настройках по умолчанию. Дальнейший анализ был проведен с использованием платформы Perseus (1.6.5; Max Planck Institute of Biochemistry). После фильтрации (удаления потенциальных контаминантов, обратных пептидов, пептидов, идентифицированных только по сайту) для дальнейшего анализа были отобраны белки, идентифицированные по > 1 пептиду (уникальный + “razor”) и присутствующие в > 70% образцов. Белки, изменившие экспрессию, определяли, используя однофакторный дисперсионный анализ с q < 0.05 (значение р с поправкой Бенджамини-Хохберга) и post hoc анализ (тест Тьюки; p < 0.05).
Определение генов ВКМ. Все детектированные нами мРНК/белки сопоставляли с базой данных MatrisomeDB [22], содержащей информацию о белках ВКМ: 44 коллагена, 195 неколлагеновых гликопротеинов и 35 протеогликанов; а также о ВКМ-ассоциированных белках: 238 энзиматических регуляторов, 171 ВКМ-аффилированный белок и 344 секретируемых факторов.
Для генов, изменивших экспрессию, выявляли белки, потенциально взаимодействующие друг с другом. Сеть белок-белковых взаимодействий была построена с помощью базы данных String 12.0 (учитывали экспериментальные данные, литературные источники и базы данных) с использованием метода кластеризации MCL.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на физиологические показатели. В работе [16] мы показали, что хроническое снижение двигательной активности у пожилых (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH) снижает их физические возможности, и нарушает структуру мышечных волокон на продольном срезе (диаметр и форма волокон, смещение ядер от периферии волокна, инфильтрация иммунными клетками и увеличение расстояния между волокнами) (табл. 1). Помимо этого, у пожилых пациентов наблюдалось выраженное (в 2 раза) снижение размеров мышц бедра.
Таблица 1. Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на размеры мышц бедра и нарушения структуры мышечных волокон m. vastus lateralis
Показатель | Молодые здоровые (YH) | Молодые пациенты (YP) | Пожилые пациенты (OP) |
Возраст, лет | 35 [28–38] | 39 [37–42] | 72 [69–77]*** |
Индекс массы тела, кг/м2 | 23.4 [21.8–24.3] | 25.8 [25.7–29.8] | 30 [27–33.6]*** |
Субъективная оценка физических возможностей (опросник SF-12), баллы | 56.25 [53.8–57.64] | 26.83 [20.5–29.7]* | 22.95 [19.5–26.99]*** |
Площадь поперечного сечения мышц бедра, см2/кг массы тела | 1.96 [1.91–2.17] | 1.6 [1.4–1.66] | 1.23 [1.1–1.34]*** |
Доля добровольцев с нарушениями структуры мышечных волокон различной выраженности (нет/среднее/сильное) | 0.875/0.125/0 | 0.22/0.44/0.33 | 0.09/0.73/0.18 |
Примечание: представлены медиана и межквартильный разброс. * и *** – изменения относительно YH при p < 0.05 и < 0.001 соответственно.
Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на экспрессию генов матрисома. В отличие от РНК-секвенирования, количественный панорамный масс-спектрометрический анализ позволяет детектировать только часть протеома (преимущественно наиболее высокопредставленные белки). Было детектировано ~10900 мРНК и 1899 белков (https://doi.org/10.5281/zenodo.11386966); среди них к ВКМ относилось 1022 и 101 соответственно (табл. 2). У пожилых пациентов относительно молодых здоровых добровольцев изменили (в основном увеличили) экспрессию 212 мРНК (padj < 0.01) и 20 белков (padj < 0.05) матрисома (табл. 2). Среди них к коллагенам относилось 2 белка и 18 мРНК, к гликопротеинам – 7 белков и 57 мРНК (3 мРНК снизили экспрессию), к протеогликанам – 2 белка и 12 мРНК, к энзиматическим регуляторам – 2 белка и 48 мРНК (16 мРНК снизили экспрессию), к секретируемым факторам – 2 белка и 49 мРНК (10 мРНК снизили экспрессию), а к ВКМ-аффилированным – 5 белков и 28 мРНК (4 мРНК снизили экспрессию). У молодых пациентов, относительно здорового контроля, 165 мРНК и 30 белков изменили (преимущественно увеличили) экспрессию (табл. 2), при этом эти изменения отличались от изменений, описанных ранее (круговые диаграммы на рис. 1). Из них к коллагенам относилось 11 мРНК, к гликопротеинам – 10 белков и 50 мРНК (2 мРНК снизили экспрессию), к протеогликанам – 7 мРНК, к энзиматическим регуляторам – 16 белков и 35 мРНК (3 мРНК снизили экспрессию), к секретируемым факторам – 2 белка и 40 мРНК (6 мРНК снизили экспрессию), а к ВКМ-аффилированным – 2 белка и 22 мРНК (6 мРНК снизили экспрессию).
Таблица 2. Количество детектированных и изменивших концентрацию мРНК (padj < 0.01) и белков (padj < 0.05) в m. vastus lateralis у молодых (YP) и пожилых (OP) пациентов относительно молодого здорового контроля (YH)
Категория белков Matrisome | Количество белков в Matrisome | Детекти- ровано мРНК | Детекти- ровано белков | OP vs YH / YP vs YH | |||
мРНК, увеличившие содержание | мРНК, снизившие содержание | Белки, увеличившие содержание | Белки, снизившие содержание | ||||
Коллагены | 44 | 44 | 12 | 18/11 | -/- | 2/- | -/- |
Гликопротеины | 195 | 194 | 29 | 54/48 | 3/2 | 7/10 | -/- |
Протеогликаны | 35 | 35 | 7 | 12/7 | -/- | 2/- | -/- |
Регуляторы | 238 | 238 | 30 | 32/32 | 16/3 | 2/16 | -/- |
Секретируемые факторы | 344 | 342 | 8 | 39/34 | 10/6 | 2/2 | -/- |
ВКМ-аффилированные | 171 | 169 | 15 | 24/16 | 4/6 | 5/2 | -/- |
Всего | 1027 | 1022 | 101 | 179/148 | 33/17 | 20/30 | -/- |
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.
В обеих группах пациентов повысилась экспрессия мРНК, кодирующих доминирующие белки ВКМ: коллаген 1 (COL1A1, COL1A2 в группе OP и COL1A2 в группе YP), коллаген 4 (COL4A3, COL4A4, COL4A5 у OP и COL4A1, COL4A2 у YP) и 6 (COL6A1, COL6A2, COL6A3 в обеих группах) (рис. 1, А). Однако эти изменения не привели к изменениям в концентрации их белковых продуктов. В обеих группах пациентов было отмечено увеличение концентрации основных компонентов базальной мембраны – различные субъединицы ламинина (LAMs), а в группе OP – содержание COL4A2 (рис. 1, Б).
Масс-спектрометрический протеомный анализ плохо подходит для детекции низкопредставленных мышечных белков [25], среди которых присутствуют регуляторы биогенеза ВКМ: различные цитокины, ростовые факторы, металлопротеиназы и их ингибиторы. Поэтому большой интерес представляют данные по экспрессии мРНК, кодирующих эти белки. Возрастные изменения (OP vs. YH) в экспрессии этих мРНК оказались схожи с изменениями, возникающими при хроническом снижении двигательной активности (YP vs. YH) (рис. 2). При этом у молодых пациентов был отмечен ряд отличий, например повышение экспрессии IL6 (один из ключевых воспалительных цитокинов) и MSTN (негативный регулятор мышечной массы).
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.
Сопоставление изменений, вызванных возрастом и снижением двигательной активности, с эффектами аэробной тренировки. Ранее мы показали, что 2-месячная аэробная тренировка на велоэргометре (т.е. без ударных нагрузок) выраженно активирует биогенез ВКМ: повышает концентрацию основных белков внутримышечного ВКМ (коллагены 1, 3, 4 и 6), экспрессию их мРНК, а также генов-регуляторов биогенеза ВКМ [23] (рис. 3, А, Б). Оказалось, что изменения в профиле экспрессии регуляторов биогенеза ВКМ выраженно отличаются от изменений, вызванных возрастом и снижением двигательной активности. Большинство мРНК цитокинов (CCL18, CXCL9), ростовых факторов (IGF1, IGF2, PDGFB, HGF, PGF, MDK) (рис. 2, А), ферментов, ремоделирующих ВКМ (изоформы лизилоксидазы (LOX), матриксные металлопротеиназы, белки семейства ADAM-протеиназ и ADAMTS-подобных белков, пролил-гидроксилазы P4HA3 и P3H3 и другие ферменты и их ингибиторы) (рис. 2, Б) повысили экспрессию после тренировки, но не изменили или даже снизили экспрессию у молодых и пожилых пациентов. При этом были найдены гены секретируемых факторов (ANGPT2, INHBB, CCL2, S100A11, TNFSF10) и регуляторов ВКМ (протеиназы SULF2, SERPINI1, P3H1, ADAMTS9, HTRA1, катепсины CTSK, CTSO, металлопротеиназы MMP2, MMP14), сонаправленно изменяющие экспрессию после тренировки и у пациентов обеих групп (рис. 2).
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.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В настоящем исследовании мы впервые оценили влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на экспрессию мРНК и белков внеклеточного матрикса в скелетной мышце человека и сопоставили эти изменения с изменениями, вызванными 2-месячной аэробной тренировкой. Оказалось, что с возрастом (комплексное влияние старения и хронического снижения двигательной активности) в биопсических пробах m. vastus lateralis увеличивается содержание высокопредставленных белков матрисома (рис. 1, Б), что согласуется c возрастными изменениями матрисома в целой m. soleus мыши [17]. Так, в обоих исследованиях было обнаружено увеличение содержания одной из субъединиц коллагена 4 (COL4A2) и 18 (COL18A1), ламинина LAMA2, кальций-связывающих белков семейства S100 (S100A4 и S100A10) и ряда аннексинов (ANXA1, -2, -3, -4), относящихся к ВКМ-аффилированным белкам. При этом не выявлено увеличение содержания коллагена 1 и 3, составляющих половину мышечного ВКМ [2]. Эти данные согласуются с отсутствием возрастных изменений содержания коллаген-специфичной аминокислоты гидроксипролина (ВЭЖХ с флуориметрией) в m. vastus lateralis людей [13], но противоречат протеомному [11] и гистологическим исследованиям, показавшим увеличение содержания общего коллагена [12] и коллагенов 1 и 3 [7, 10]. Интересно то, что мы обнаружили возрастное увеличение экспрессии мРНК, кодирующих коллаген 1A1, 1A2, 3 и фибронектин 1 (доминирующие белки мышечного ВКМ [2]), без изменения содержания их белков (рис. 1, А и Б). Известно, что в мышцах старых крыс выраженно (в разы) падает скорость синтеза коллагенов, что ведет к преобладанию деградации коллагена над синтезом [26]; это может объяснять отсутствие корреляции между изменением содержания доминирующих белков ВКМ и их мРНК в нашем исследовании. Одновременно с этим мы обнаружили возрастное увеличение содержание коллагена 4А2 и нескольких субъединиц ламинина (LAMs) – основных гликопротеиновых компонентов базальной мембраны, что согласуется с возрастными изменениями, обнаруженными в мышцах мышей [17], крыс [27, 28] и человека [12].
Ранее мы показали, что снижение двигательной активности и сопутствующее хроническое воспаление являются ключевыми факторами возрастного изменения транскриптомного и протеомного профилей в m. vastus lateralis человека [16]. Однако изменения экспрессии высокопредставленных белков матрисома у пожилых и молодых пациентов относительно молодых здоровых людей различались (рис. 1, Б). В отличие от возрастных изменений (OP vs YH), у молодых пациентов (OP vs YH) не наблюдалось увеличение содержания коллагена 4A2, а также кальций-связывающих белков (аннексины (ANXA) 1, 2, 4, S100A10 и SPARCL1), но было увеличено содержание ингибиторов сериновых эндопептидаз (AGT, HRG, ITIH1, 2, 4, SERPINA1, A3, C1, F2) и регуляторов системы комплемента и коагуляции (F2, FGA, -B, -G, HRG, KNG1, PLG, VTN и VWF). Важно то, что у молодых пациентов (как и у пожилых пациентов) была увеличена концентрация ламинина (рис. 1, Б), что согласуется с эффектами длительной (60 сут) гипокинезии [29]. Данные о влиянии иммобилизации и длительной гипокинезии на коллаген в мышцах животных и человека достаточно противоречивы, что частично связано с методическими особенностями его измерения [14]. Отсутствие изменений концентрации основных коллагенов ВКМ (1 и 3) в нашей работе (рис. 1, Б) может быть объяснено тем, что многомесячное снижение двигательной активности у молодых пациентов, в отличие от более коротких периодов гипокинезии [29], вызывает пропорциональное снижение содержания основных мышечных коллагенов и саркомерных белков, составляющих основную часть мышцы.
Хроническое снижение двигательной активности и возрастные изменения вызывают ремоделирование ВКМ, имеющее общие и специфические черты: профили экспрессии мРНК, кодирующих ключевые регуляторы ВКМ – цитокины, факторы роста и энзиматические регуляторы ВКМ, похожи у молодых и пожилых пациентов. При этом для молодых пациентов характерно выраженное увеличение экспрессии воспалительных цитокинов (IL6, CCL4, CXCL14, CX3CL1), миостатина – негативного регулятора мышечной массы, ингибитора металлопептидаз TIMP4, ряда ингибиторов пептидаз (A2M, SERPINA1, SERPINE1 и SERPINB1), а также ферментов, участвующих в ремоделировании ВКМ (TGM2 и PLOD3).
Регулярные физические нагрузки, также как и хроническое снижение двигательной активности и возраст, являются мощным стимулом для ремоделирования ВКМ [14]. При сопоставлении полученных результатов с нашими предыдущими данными [23] было выявлено что, в отличие от снижения двигательной активности и возраста, 2-месячная аэробная тренировка на велоэргометре (без ударных нагрузок) увеличивает концентрацию доминирующих мышечных коллагенов (1A1-2, 3A1, 4A2 и 6A1-3) (рис. 3, Б) и экспрессию генов, кодирующих воспалительные цитокины (CCL18, CXCL9, IL34), а также FRZB и ростовые факторы (рис. 2), являющиеся важными регуляторами биогенеза ВКМ (HGF [30, 31], IGF1 [32] и -2 [33], MDK [34, 35], PDGFB [36] и PGF [37]). Следует отметить, что некоторые другие регуляторы ВКМ однонаправленно изменяли экспрессию при всех воздействиях, что указывает на их универсальную роль в регуляции ремоделирования ВКМ: увеличивали экспрессию ANGPT2 и INHBB – регуляторы биогенеза ВКМ в скелетной мышце [38], а также цитокины CCL2 и TNFSF10.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящем исследовании впервые было сопоставлено влияние хронического снижения двигательной активности у пожилых и молодых людей на экспрессию генов, кодирующих белки внутримышечного матрисома (ВКМ и ассоциированные с ним белки). Было показано, что эти воздействия вызывают специфическое увеличение экспрессии двух десятков высокопредставленных белков матрисома, не включающих доминирующие белки ВКМ (коллаген 1, 3 и др.). В литературе представлены противоречивые данные по изменению содержания этих белков при старении и гипокинезии, что говорит о необходимости более детального изучения этого вопроса. При этом изменения экспрессии мРНК, кодирующих белки матрисома, различались в меньшей степени, чем для белков, в частности для энзиматических регуляторов ВКМ и секретируемых белков, включающих ростовые факторы-потенциальные регуляторы биогенеза ВКМ.
Описанные изменения матрисома выраженно отличались от изменений, вызванных аэробной физической тренировкой у молодых 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.
Финансирование работы. Работа выполнена в рамках гранта РНФ (грант № 21-15-00405) и государственного задания МНОЦ МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва). Масс-спектрометрические измерения выполнены на оборудовании ЦКП "Протеом человека" на базе НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича (Москва).
Соблюдение этических стандартов. Все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней. Они также были одобрены Локальным этическим комитетом МНОЦ Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва), протокол № 2/20 от 16.03.2020 г.
Каждый участник исследования дал добровольное письменное информированное согласие после получения разъяснений о потенциальных рисках и преимуществах, а также о характере предстоящего исследования.
Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Вклад авторов в публикацию. А.Ю. Ефименко, Д.В. Попов – дизайн исследования, администрирование проекта. В.Г. Згода, А.Ю. Ефименко, Д.В. Попов – разработка методологии. Н.С. Курочкина, Е.М. Леднев, М.А. Орлова, М.А. Виговский, В.Г. Згода, Н.Е. Вавилов, Т.Ф. Вепхвадзе, П.А. Махновский, О.А. Григорьева, Я.Р. Бородай, В.В. Филиппов, М.Ю. Высоких, А.Ю. Ефименко, Д.В. Попов – проведение исследования, анализ. П.А. Махновский, Д.В. Попов – создание ресурсов. Е.М. Леднев, П.А. Махновский, Д.В. Попов – работа с данными. Н.С. Курочкина, Е.М. Леднев, Д.В. Попов – подготовка рукописи.
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, МоскваВ. 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, МоскваЯ. Р. Бородай
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Email: nadia_sk@mail.ru
Медицинский научно-образовательный центр
Россия, МоскваВ. В. Филиппов
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Email: nadia_sk@mail.ru
Медицинский научно-образовательный центр
Россия, МоскваМ. 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; МоскваА. Ю. Ефименко
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Email: nadia_sk@mail.ru
Медицинский научно-образовательный центр
Россия, МоскваД. В. Попов
ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН
Email: nadia_sk@mail.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Kjaer M. Role of extracellular matrix in adaptation of tendon and skeletal muscle to mechanical loading // Physiol. Rev. 2004. V. 84. № 2. P. 649.
- 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.
- 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.
- Lopez-Otin C., Blasco M.A., Partridge L. et al. Hallmarks of aging: An expanding universe // Cell. 2023. V. 186. № 2. P. 243.
- Furrer R., Handschin C. Drugs, clocks and exercise in ageing: hype and hope, fact and fiction // J. Physiol. 2023. V. 601. № 11. P. 2057.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Karalaki M., Fili S., Philippou A., Koutsilieris M. Muscle regeneration: cellular and molecular events // In Vivo. 2009. V. 23. № 5. P. 779.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
