Myogenese - Myogenesis

Myogenese ist die Bildung von Skelettmuskulatur , insbesondere während der Embryonalentwicklung .

Diese Grafik zeigt normale Myoblasten (frühe Muskelzellen mit einem einzigen Kern), die während der Myogenese zu Muskelfasern (mehrkernige Muskelzellen) verschmelzen

Muskelfasern bilden sich im Allgemeinen durch die Verschmelzung von Vorläufer- Myoblasten zu mehrkernigen Fasern, die als Myotuben bezeichnet werden . In der frühen Entwicklung eines Embryos können sich Myoblasten entweder vermehren oder sich zu einem Myotubus differenzieren. Was diese Wahl in vivo steuert, ist im Allgemeinen unklar. Wenn sie in eine Zellkultur gegeben werden, vermehren sich die meisten Myoblasten, wenn genügend Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF) oder ein anderer Wachstumsfaktor in dem die Zellen umgebenden Medium vorhanden ist. Wenn der Wachstumsfaktor aufgebraucht ist, hören die Myoblasten auf, sich zu teilen und durchlaufen eine terminale Differenzierung in Myotuben. Die Differenzierung der Myoblasten verläuft stufenweise. Die erste Stufe beinhaltet das Verlassen des Zellzyklus und den Beginn der Expression bestimmter Gene.

Die zweite Differenzierungsstufe beinhaltet die Ausrichtung der Myoblasten zueinander. Studien haben gezeigt, dass sogar Myoblasten von Ratten und Küken erkennen und sich aneinander ausrichten können, was auf eine evolutionäre Konservierung der beteiligten Mechanismen schließen lässt.

Die dritte Stufe ist die eigentliche Zellfusion . In diesem Stadium ist die Anwesenheit von Calciumionen kritisch. Die Fusion beim Menschen wird durch eine Reihe von Metalloproteinasen unterstützt, die durch das ADAM12- Gen und eine Vielzahl anderer Proteine ​​kodiert werden. Die Fusion beinhaltet die Rekrutierung von Aktin an die Plasmamembran , gefolgt von einer engen Anlagerung und der Bildung einer Pore, die sich anschließend schnell erweitert.

Neuartige Gene und ihre Proteinprodukte, die während des Prozesses exprimiert werden, werden in vielen Labors aktiv untersucht. Sie beinhalten:

  1. Myozyten-Enhancer-Faktoren (MEFs), die die Myogenese fördern.
  2. Der Serum-Response-Faktor (SRF) spielt eine zentrale Rolle während der Myogenese, da er für die Expression von quergestreiften Alpha-Aktin-Genen benötigt wird. Die Expression von Skelett- Alpha-Aktin wird auch durch den Androgenrezeptor reguliert ; Steroide können dabei die Myogenese regulieren.
  3. Myogene regulatorische Faktoren (MRFs): MyoD, Myf5, Myf6 und Myogenin.

Überblick

Es gibt eine Reihe von Stadien (unten aufgelistet) der Muskelentwicklung oder Myogenese. Jedes Stadium hat verschiedene assoziierte genetische Faktoren, deren Fehlen zu Muskeldefekten führt.

Etappen

Bühne Assoziierte genetische Faktoren
Delamination PAX3 , c-Met
Migration c-met/ HGF , LBX1
Proliferation PAX3, c-Met, Mox2, MSX1 , Six1/4, Myf5 , MyoD
Entschlossenheit Myf5 und MyoD
Unterscheidung Myogenin , MCF2 , Six1/4, MyoD, Myf6
Spezifische Muskelbildung Lbx1, Meox2
Satellitenzellen PAX7

Delamination

Patient mit Waardenburg-Syndrom III (Waardenburg-Klein-Syndrom)
Patient mit Waardenburg-Syndrom III (Waardenburg-Klein-Syndrom) mit weit auseinanderstehenden Augen.

Assoziierte genetische Faktoren: PAX3- und c-Met-
Mutationen in PAX3 können zu einem Versagen der c-Met-Expression führen. Eine solche Mutation würde zu einem Mangel an lateraler Migration führen.

PAX3 vermittelt die Transkription von c-Met und ist für die Aktivierung der MyoD-Expression verantwortlich – eine der Funktionen von MyoD besteht darin, die Regenerationsfähigkeit von Satellitenzellen zu fördern (unten beschrieben). PAX3 wird im Allgemeinen während der Embryonalentwicklung am höchsten und während der fetalen Stadien in geringerem Maße exprimiert; es wird in migrierenden hypaxialen Zellen und Dermomyotomzellen exprimiert, wird jedoch während der Entwicklung des Gesichtsmuskels überhaupt nicht exprimiert . Mutationen in Pax3 können eine Vielzahl von Komplikationen verursachen, darunter das Waardenburg-Syndrom I und III sowie das kraniofaziale Taubheits-Hand-Syndrom . Das Waardenburg-Syndrom wird am häufigsten mit angeborenen Erkrankungen des Darmtrakts und der Wirbelsäule, einer Erhöhung des Schulterblatts und anderen Symptomen in Verbindung gebracht. Jedes Stadium hat verschiedene assoziierte genetische Faktoren, ohne die zu Muskeldefekten führt.

Migration

Assoziierte genetische Faktoren: c-Met / HGF und LBX1
Mutationen in diesen genetischen Faktoren verursachen eine fehlende Migration.

LBX1 ist verantwortlich für den Aufbau und die Organisation der Muskulatur in der dorsalen Vordergliedmaße sowie für die Bewegung der Rückenmuskulatur in die Extremität nach einer Delamination . Ohne LBX1 werden sich die Gliedmaßenmuskeln nicht richtig bilden; Studien haben gezeigt, dass die Hinterbeinmuskulatur von dieser Deletion stark betroffen ist, während sich in der Vorderbeinmuskulatur als Folge der ventralen Muskelmigration nur Beugemuskeln bilden.

c-Met ist ein Tyrosinkinase-Rezeptor , der für das Überleben und die Proliferation wandernder Myoblasten erforderlich ist. Ein Mangel an c-Met stört die sekundäre Myogenese und verhindert – wie bei LBX1 – die Bildung von Gliedmaßenmuskulatur. Es ist klar, dass c-Met neben der Migration eine wichtige Rolle bei der Delamination und Proliferation spielt. PAX3 wird für die Transkription von c-Met benötigt.

Proliferation

Assoziierte genetische Faktoren: PAX3 , c-Met , Mox2 , MSX1 , Six, Myf5 und MyoD

Mox2 (auch als MEOX-2 bezeichnet) spielt eine wichtige Rolle bei der Induktion des Mesoderms und der regionalen Spezifikation . Eine Beeinträchtigung der Funktion von Mox2 verhindert die Proliferation myogener Vorläufer und führt zu einer abnormalen Musterung der Gliedmaßenmuskulatur. Studien haben insbesondere gezeigt, dass die Größe der Hinterbeine stark reduziert ist, während sich bestimmte Muskeln der Vorderbeine nicht bilden.

Myf5 ist für eine ordnungsgemäße Myoblastenvermehrung erforderlich. Studien haben gezeigt, dass die Muskelentwicklung von Mäusen in den interkostalen und paraspinalen Regionen durch die Inaktivierung von Myf-5 verzögert werden kann. Myf5 gilt als das am frühesten exprimierte Gen für regulatorische Faktoren in der Myogenese. Wenn sowohl Myf-5 als auch MyoD inaktiviert sind, fehlt die Skelettmuskulatur vollständig. Diese Konsequenzen verdeutlichen die Komplexität der Myogenese und die Bedeutung jedes genetischen Faktors für die richtige Muskelentwicklung.

MyoD1 (MYF3)
MyoD 1 (MYF3) .

Entschlossenheit

Assoziierte genetische Faktoren: Myf5 und MyoD
Einer der wichtigsten Schritte bei der Bestimmung der Myogenese erfordert, dass sowohl Myf5 als auch MyoD richtig funktionieren, damit myogene Zellen normal fortschreiten können. Mutationen in einem der assoziierten genetischen Faktoren führen dazu, dass die Zellen nicht-muskuläre Phänotypen annehmen.

Wie bereits erwähnt, ist die Kombination von Myf5 und MyoD entscheidend für den Erfolg der Myogenese. Sowohl MyoD als auch Myf5 sind Mitglieder der Familie der myogenen bHLH-Proteine ​​(basic helix-loop-helix) der Transkriptionsfaktoren. Zellen, die myogene bHLH-Transkriptionsfaktoren (einschließlich MyoD oder Myf5) herstellen, sind der Entwicklung als Muskelzelle verpflichtet. Folglich führt die gleichzeitige Deletion von Myf5 und MyoD auch zu einem völligen Fehlen der Skelettmuskelbildung . Die Forschung hat gezeigt, dass MyoD direkt sein eigenes Gen aktiviert; Dies bedeutet, dass das hergestellte Protein das MyoD- Gen bindet und einen Zyklus der MyoD-Proteinproduktion fortsetzt. Inzwischen wird die Myf5-Expression von Sonic Hedgehog , Wnt1 und MyoD selbst reguliert . Durch die Feststellung der Rolle von MyoD bei der Regulierung von Myf5 wird die entscheidende Verflechtung der beiden genetischen Faktoren deutlich.

Unterscheidung

Assoziierte genetische Faktoren: Myogenin , Mcf2 , Six, MyoD und Myf6
Mutationen in diesen assoziierten genetischen Faktoren verhindern, dass Myozyten fortschreiten und reifen.

Muskeldystrophie Histopathologie
Muskeldystrophie Histopathologie .

Myogenin (auch bekannt als Myf4) wird für die Fusion myogener Vorläuferzellen mit neuen oder bereits bestehenden Fasern benötigt. Im Allgemeinen ist Myogenin mit der Verstärkung der Expression von Genen verbunden, die bereits im Organismus exprimiert werden. Das Löschen von Myogenin führt zu einem fast vollständigen Verlust von differenzierten Muskelfasern und einem schweren Verlust der Skelettmuskelmasse in der lateralen/ventralen Körperwand.

Gowers Zeichen
Darstellung eines Mannes mit dem Gowers-Zeichen : häufiges Symptom einer zentronukleären Myopathie, die aus der Schwäche der Muskeln der unteren Gliedmaßen resultiert.

Myf-6 (auch bekannt als MRF4 oder Herculin) ist wichtig für die Myotubus-Differenzierung und ist spezifisch für die Skelettmuskulatur. Mutationen in Myf-6 können Störungen wie zentronukleäre Myopathie und Becker-Muskeldystrophie hervorrufen .

Spezifischer Muskelaufbau

Assoziierte genetische Faktoren: LBX1 und Mox2
Bei einer bestimmten Muskelbildung beginnen Mutationen in assoziierten genetischen Faktoren, bestimmte Muskelregionen zu beeinflussen. Aufgrund seiner großen Verantwortung für die Bewegung der Rückenmuskulatur in die Extremität nach einer Delamination führt eine Mutation oder Deletion von Lbx1 zu Defekten in den Streck- und Hinterbeinmuskeln. Wie im Abschnitt zur Proliferation erwähnt, verursacht die Deletion oder Mutation von Mox2 eine abnormale Musterung der Gliedmaßenmuskulatur. Die Folgen dieser abnormen Musterung sind eine starke Verkleinerung der Hinterbeine und das völlige Fehlen der Vorderbeinmuskulatur.

Satellitenzellen

Assoziierte genetische Faktoren: PAX7-
Mutationen in Pax7 verhindern die Bildung von Satellitenzellen und damit das postnatale Muskelwachstum.

Satellitenzellen werden als ruhende Myoblasten und benachbarte Muskelfaser- Sarkolemme beschrieben . Sie sind entscheidend für die Muskelreparatur, haben aber eine sehr begrenzte Fähigkeit zur Replikation. Aktiviert durch Reize wie Verletzungen oder hohe mechanische Belastungen werden Satellitenzellen für die Muskelregeneration im erwachsenen Organismus benötigt. Darüber hinaus haben Satellitenzellen die Fähigkeit, sich auch in Knochen oder Fett zu differenzieren. Auf diese Weise spielen Satellitenzellen nicht nur beim Muskelaufbau, sondern auch beim Muskelerhalt bis ins Erwachsenenalter eine wichtige Rolle.

Skelettmuskulatur

Während der Embryogenese enthalten das Dermomyotom und/oder Myotom in den Somiten die myogenen Vorläuferzellen, die sich in den zukünftigen Skelettmuskel entwickeln. Die Bestimmung von Dermomyotom und Myotom wird durch ein Genregulationsnetzwerk reguliert, das ein Mitglied der T-Box- Familie, tbx6, ripply1 und mesp-ba, umfasst. Die Skelettmyogenese hängt von der strikten Regulierung verschiedener Gen-Untergruppen ab, um die myogenen Vorläufer in Myofasern zu differenzieren. Grundlegende Helix-Loop-Helix (bHLH)-Transkriptionsfaktoren, MyoD, Myf5, Myogenin und MRF4 sind für seine Bildung entscheidend. MyoD und Myf5 ermöglichen die Differenzierung myogener Vorläufer in Myoblasten, gefolgt von Myogenin, das die Myoblasten in Myotuben differenziert. MRF4 ist wichtig, um die Transkription muskelspezifischer Promotoren zu blockieren, sodass Skelettmuskel-Vorläuferzellen wachsen und sich vermehren können, bevor sie sich differenzieren.

Es gibt eine Reihe von Ereignissen, die auftreten, um die Spezifizierung von Muskelzellen im Somiten voranzutreiben. Sowohl in der lateralen als auch in der medialen Region des Somiten induzieren parakrine Faktoren Myotomzellen zur Produktion von MyoD-Protein – wodurch sie sich als Muskelzellen entwickeln. Ein Transkriptionsfaktor ( TCF4 ) des Bindegewebes Fibroblasten ist in der Regulation der Myogenese beteiligt. Insbesondere reguliert es die Art der entwickelten Muskelfasern und deren Reifung. Niedrige TCF4-Spiegel fördern sowohl eine langsame als auch eine schnelle Myogenese und fördern insgesamt die Reifung des Muskelfasertyps. Dies zeigt die enge Verwandtschaft des Muskels mit dem Bindegewebe während der Embryonalentwicklung.

Die Regulation der myogenen Differenzierung wird durch zwei Wege gesteuert: den Phosphatidylinositol-3-Kinase /Akt-Weg und den Notch /Hes-Weg, die zusammenarbeiten, um die MyoD-Transkription zu unterdrücken. Die O-Unterfamilie der Forkhead-Proteine ​​( FOXO ) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation der myogenen Differenzierung, da sie die Notch/Hes-Bindung stabilisieren. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Knockout von FOXO1 bei Mäusen die MyoD-Expression erhöht und die Verteilung von schnell zuckenden und langsam zuckenden Fasern verändert.

Muskelverschmelzung

Primäre Muskelfasern stammen von primären Myoblasten und neigen dazu, sich zu langsamen Muskelfasern zu entwickeln. In der Nähe der Innervation bilden sich dann sekundäre Muskelfasern um die primären Fasern herum. Diese Muskelfasern bilden sich aus sekundären Myoblasten und entwickeln sich meist als schnelle Muskelfasern. Schließlich entstehen die später entstehenden Muskelfasern aus Satellitenzellen.

Zwei Gene, die für die Muskelfusion von Bedeutung sind, sind Mef2 und der Twist-Transkriptionsfaktor . Studien haben gezeigt, dass Knockouts für Mef2C bei Mäusen zu Muskeldefekten bei der Entwicklung des Herzens und der glatten Muskulatur, insbesondere bei der Fusion, führen. Das Twist-Gen spielt eine Rolle bei der Muskeldifferenzierung.

Das SIX1- Gen spielt eine entscheidende Rolle bei der hypaxialen Muskeldifferenzierung bei der Myogenese. In Mäusen fehlt dieses Gen, schwere Muskel hypoplasia betroffen meisten der Körpermuskulatur, speziell hypaxialen Muskeln.

Proteinsynthese und Aktinheterogenität

Es gibt 3 Arten von Proteinen, die während der Myogenese produziert werden. Klasse-A-Proteine ​​sind die am häufigsten vorkommenden und werden während der Myogenese kontinuierlich synthetisiert. Klasse-B-Proteine ​​sind Proteine, die während der Myogenese initiiert und während der gesamten Entwicklung fortgeführt werden. Klasse-C-Proteine ​​sind solche, die zu bestimmten Zeiten während der Entwicklung synthetisiert werden. Auch drei verschiedene Formen von Aktin wurden während myogenesis identifiziert.

Sim2 , ein BHLH-Pas-Transkriptionsfaktor , hemmt die Transkription durch aktive Repression und zeigt eine verstärkte Expression in den Muskelmassen der ventralen Extremitäten während der embryonalen Entwicklung von Hühnern und Mäusen . Es erreicht dies, indem es die MyoD-Transkription durch Bindung an die Enhancer-Region unterdrückt und eine vorzeitige Myogenese verhindert.

Die Delta1- Expression in Neuralleistenzellen ist für die Muskeldifferenzierung der Somiten über den Notch-Signalweg notwendig . Der Gewinn und Verlust dieses Liganden in Neuralleistenzellen führt zu einer verzögerten oder vorzeitigen Myogenese.

Techniken

Die Bedeutung des alternativen Spleißens wurde durch die Microarrary-Analyse von differenzierenden C2C12- Myoblasten aufgeklärt . 95 alternative Spleißereignisse treten während der C2C12- Differenzierung in der Myogenese auf. Daher ist bei der Myogenese ein alternatives Spleißen erforderlich.

Systemischer Ansatz

Der Systemansatz ist eine Methode zur Untersuchung der Myogenese, die eine Reihe verschiedener Techniken wie Hochdurchsatz-Screening- Technologien, genomweite zellbasierte Assays und Bioinformatik manipuliert , um verschiedene Faktoren eines Systems zu identifizieren. Dies wurde speziell bei der Untersuchung der Skelettmuskelentwicklung und der Identifizierung ihres regulatorischen Netzwerks verwendet.

Systemansatz mit Hochdurchsatz - Sequenzierung und ChIP-Chip - Analyse hat die Ziele von myogenen regulatorischen Faktoren wie MyoD und Myogenin in Aufklären, ihre inter bezogenen Ziele wesentlich gewesen, und wie MyoD wirkt das Epigenom in Myoblasten und Myotuben zu verändern. Dies hat auch die Bedeutung von PAX3 in der Myogenese gezeigt und sichert das Überleben myogener Vorläufer.

Dieser Ansatz unter Verwendung eines zellbasierten Hochdurchsatz-Transfektionsassays und einer Whole-mount- in-situ-Hybridisierung wurde zur Identifizierung des myogenetischen Regulators RP58 und des Sehnendifferenzierungsgens Mohawk-Homöobox verwendet.

Verweise

Externe Links