Miogénesis - Myogenesis

La miogénesis es la formación de tejido muscular esquelético , especialmente durante el desarrollo embrionario .

Este gráfico muestra mioblastos normales (células musculares tempranas con un solo núcleo) fusionándose para formar fibras musculares (células musculares multinucleadas) durante la miogénesis.

Las fibras musculares generalmente se forman a través de la fusión de mioblastos precursores en fibras multinucleadas llamadas miotubos . En el desarrollo temprano de un embrión , los mioblastos pueden proliferar o diferenciarse en un miotubo. En general, no está claro qué controla esta elección in vivo. Si se colocan en cultivo celular, la mayoría de los mioblastos proliferarán si hay suficiente factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) u otro factor de crecimiento en el medio que rodea a las células. Cuando se agota el factor de crecimiento, los mioblastos cesan la división y experimentan una diferenciación terminal en miotubos. La diferenciación de mioblastos se realiza en etapas. La primera etapa implica la salida del ciclo celular y el comienzo de la expresión de ciertos genes.

La segunda etapa de diferenciación implica la alineación de los mioblastos entre sí. Los estudios han demostrado que incluso los mioblastos de rata y pollo pueden reconocerse y alinearse entre sí, lo que sugiere la conservación evolutiva de los mecanismos involucrados.

La tercera etapa es la propia fusión celular . En esta etapa, la presencia de iones de calcio es crítica. La fusión en humanos es ayudada por un conjunto de metaloproteinasas codificadas por el gen ADAM12 y una variedad de otras proteínas. La fusión implica el reclutamiento de actina a la membrana plasmática , seguida de una aposición cercana y la creación de un poro que posteriormente se ensancha rápidamente.

En muchos laboratorios se están investigando activamente genes nuevos y sus productos proteicos que se expresan durante el proceso. Incluyen:

  1. Factores potenciadores de miocitos (MEF), que promueven la miogénesis.
  2. El factor de respuesta sérica (SRF) juega un papel central durante la miogénesis, siendo necesario para la expresión de genes estriados de alfa-actina. La expresión de la alfa-actina esquelética también está regulada por el receptor de andrógenos ; los esteroides pueden así regular la miogénesis.
  3. Factores reguladores miogénicos (MRF): MyoD, Myf5, Myf6 y Myogenin.

Descripción general

Hay una serie de etapas (enumeradas a continuación) de desarrollo muscular o miogénesis. Cada etapa tiene varios factores genéticos asociados cuya falta dará lugar a defectos musculares.

Etapas

Etapa Factores genéticos asociados
Delaminación PAX3 , c-Met
Migración c-met / HGF , LBX1
Proliferación PAX3, c-Met, Mox2, MSX1 , Six1 / 4, Myf5 , MyoD
Determinación Myf5 y MyoD
Diferenciación Miogenina , MCF2 , Six1 / 4, MyoD, Myf6
Formación muscular específica Lbx1, Meox2
Celdas satélite PAX7

Delaminación

Paciente con síndrome de Waardenburg III (síndrome de Waardenburg-Klein)
Paciente con síndrome de Waardenburg III ( síndrome de Waardenburg Klein) con ojos muy abiertos.

Factores genéticos asociados: PAX3 y c-Met
Las mutaciones en PAX3 pueden provocar un fallo en la expresión de c-Met. Tal mutación resultaría en una falta de migración lateral.

PAX3 media la transcripción de c-Met y es responsable de la activación de la expresión de MyoD; una de las funciones de MyoD es promover la capacidad regenerativa de las células satélite (descrita a continuación). PAX3 generalmente se expresa en sus niveles más altos durante el desarrollo embrionario y se expresa en menor grado durante las etapas fetales; se expresa en células hipaxiales migratorias y células dermomiotomo, pero no se expresa en absoluto durante el desarrollo del músculo facial . Las mutaciones en Pax3 pueden causar una variedad de complicaciones, incluido el síndrome de Waardenburg I y III, así como el síndrome craneofacial-sordera-mano . El síndrome de Waardenburg se asocia con mayor frecuencia con trastornos congénitos que involucran el tracto intestinal y la columna vertebral, una elevación de la escápula, entre otros síntomas. Cada etapa tiene varios factores genéticos asociados sin los cuales resultarán en defectos musculares.

Migración

Factores genéticos asociados: c-Met / HGF y LBX1
Las mutaciones en estos factores genéticos provocan una falta de migración.

LBX1 es responsable del desarrollo y organización de los músculos de la extremidad anterior dorsal, así como del movimiento de los músculos dorsales hacia la extremidad después de la delaminación . Sin LBX1, los músculos de las extremidades no se formarán correctamente; Los estudios han demostrado que los músculos de las extremidades posteriores se ven gravemente afectados por esta deleción, mientras que en los músculos de las extremidades anteriores solo se forman los músculos flexores como resultado de la migración de los músculos ventrales.

c-Met es un receptor de tirosina quinasa necesario para la supervivencia y proliferación de mioblastos migratorios. La falta de c-Met altera la miogénesis secundaria y, como en LBX1, evita la formación de la musculatura de las extremidades. Está claro que c-Met juega un papel importante en la delaminación y proliferación además de la migración. PAX3 es necesario para la transcripción de c-Met.

Proliferación

Factores genéticos asociados: PAX3 , c-Met , Mox2 , MSX1 , Six, Myf5 y MyoD

Mox2 (también conocido como MEOX-2) juega un papel importante en la inducción del mesodermo y la especificación regional . El deterioro de la función de Mox2 evitará la proliferación de precursores miogénicos y provocará un patrón anormal de los músculos de las extremidades. Específicamente, los estudios han demostrado que las extremidades traseras están muy reducidas de tamaño, mientras que los músculos específicos de las extremidades anteriores no se formarán.

Myf5 es necesario para la correcta proliferación de mioblastos. Los estudios han demostrado que el desarrollo muscular de los ratones en las regiones intercostal y paraespinal puede retrasarse inactivando Myf-5. Myf5 se considera el gen del factor regulador expresado más temprano en la miogénesis. Si tanto Myf-5 como MyoD están inactivos, habrá una ausencia total de músculo esquelético. Estas consecuencias revelan aún más la complejidad de la miogénesis y la importancia de cada factor genético en el desarrollo muscular adecuado.

MyoD1 (MYF3)
MyoD 1 (MYF3) .

Determinación

Factores genéticos asociados: Myf5 y MyoD
Una de las etapas más importantes en la determinación de la miogénesis requiere que tanto Myf5 como MyoD funcionen correctamente para que las células miogénicas progresen normalmente. Las mutaciones en cualquiera de los factores genéticos asociados harán que las células adopten fenotipos no musculares.

Como se dijo anteriormente, la combinación de Myf5 y MyoD es crucial para el éxito de la miogénesis. Tanto MyoD como Myf5 son miembros de la familia de factores de transcripción de proteínas miogénicas bHLH (hélice-bucle-hélice básica). Las células que producen factores de transcripción de bHLH miogénicos (incluidas MyoD o Myf5) están comprometidas con el desarrollo como célula muscular. En consecuencia, la deleción simultánea de Myf5 y MyoD también da como resultado una falta completa de formación del músculo esquelético . La investigación ha demostrado que MyoD activa directamente su propio gen; esto significa que la proteína producida se une al gen myoD y continúa un ciclo de producción de proteína MyoD. Mientras tanto, la expresión de Myf5 está regulada por Sonic hedgehog , Wnt1 y MyoD. Al señalar el papel de MyoD en la regulación de Myf5, queda clara la interconexión crucial de los dos factores genéticos.

Diferenciación

Factores genéticos asociados: Miogenina , Mcf2 , Six, MyoD y Myf6
Las mutaciones en estos factores genéticos asociados evitarán que los miocitos avancen y maduren .

Histopatología de la distrofia muscular
Histopatología de la Distrofia Muscular .

La miogenina (también conocida como Myf4) es necesaria para la fusión de células precursoras miogénicas con fibras nuevas o ya existentes. En general, la miogenina se asocia con la amplificación de la expresión de genes que ya se expresan en el organismo. La eliminación de miogenina da como resultado una pérdida casi completa de fibras musculares diferenciadas y una pérdida grave de masa de músculo esquelético en la pared lateral / ventral del cuerpo.

Signo de Gowers
Representación del hombre con el signo de Gowers : síntoma común de miopatía centronuclear que resulta de la debilidad de los músculos de las extremidades inferiores.

Myf-6 (también conocido como MRF4 o Herculin) es importante para la diferenciación de miotubos y es específico del músculo esquelético. Las mutaciones en Myf-6 pueden provocar trastornos que incluyen miopatía centronuclear y distrofia muscular de Becker .

Formación muscular específica

Factores genéticos asociados: LBX1 y Mox2
En la formación muscular específica, las mutaciones en factores genéticos asociados comienzan a afectar regiones musculares específicas. Debido a su gran responsabilidad en el movimiento de los músculos dorsales hacia el miembro después de la delaminación, la mutación o deleción de Lbx1 da como resultado defectos en los músculos extensores y de los miembros posteriores. Como se indicó en la sección de Proliferación, la deleción o mutación de Mox2 causa un patrón anormal de los músculos de las extremidades. Las consecuencias de este patrón anormal incluyen una reducción severa del tamaño de las extremidades posteriores y la ausencia total de los músculos de las extremidades anteriores.

Celdas satélite

Factores genéticos asociados: las mutaciones de PAX7
en Pax7 evitarán la formación de células satélite y, a su vez, evitarán el crecimiento muscular posnatal.

Las células satélite se describen como mioblastos inactivos y sarcolema de fibras musculares vecinas . Son cruciales para la reparación del músculo, pero tienen una capacidad de replicación muy limitada. Activadas por estímulos como lesiones o cargas mecánicas elevadas, las células satélite son necesarias para la regeneración muscular en organismos adultos. Además, las células satélite tienen la capacidad de diferenciarse también en hueso o grasa. De esta manera, las células satélite tienen un papel importante no solo en el desarrollo muscular, sino también en el mantenimiento del músculo durante la edad adulta.

Músculo esquelético

Durante la embriogénesis , el dermomiotoma y / o miotoma en los somitas contienen las células progenitoras miogénicas que evolucionarán hacia el músculo esquelético prospectivo. La determinación de dermomiotoma y miotoma está regulada por una red reguladora de genes que incluye un miembro de la familia T-box , tbx6, ripply1 y mesp-ba. La miogénesis esquelética depende de la regulación estricta de varios subconjuntos de genes para diferenciar los progenitores miogénicos en miofibras. Los factores de transcripción básicos de hélice-bucle-hélice (bHLH), MyoD, Myf5, miogenina y MRF4 son fundamentales para su formación. MyoD y Myf5 permiten la diferenciación de progenitores miogénicos en mioblastos, seguidos de miogenina, que diferencia el mioblasto en miotubos. MRF4 es importante para bloquear la transcripción de promotores específicos del músculo, lo que permite que los progenitores del músculo esquelético crezcan y proliferen antes de diferenciarse.

Hay una serie de eventos que ocurren para impulsar la especificación de las células musculares en el somita. Tanto para las regiones lateral como medial del somita, los factores paracrinos inducen a las células miotómicas a producir proteína MyoD, lo que hace que se desarrollen como células musculares. Un factor de transcripción ( TCF4 ) de los fibroblastos del tejido conectivo participa en la regulación de la miogénesis. En concreto, regula el tipo de fibra muscular que se desarrolla y su maduración. Los niveles bajos de TCF4 promueven una miogénesis lenta y rápida, lo que en general promueve la maduración del tipo de fibra muscular. Por lo tanto, esto muestra la estrecha relación del músculo con el tejido conectivo durante el desarrollo embrionario.

La regulación de la diferenciación miogénica está controlada por dos vías: la vía fosfatidilinositol 3-quinasa / Akt y la vía Notch / Hes, que funcionan de manera colaborativa para suprimir la transcripción de MyoD. La subfamilia O de las proteínas forkhead ( FOXO ) juega un papel crítico en la regulación de la diferenciación miogénica ya que estabilizan la unión de Notch / Hes. La investigación ha demostrado que la eliminación de FOXO1 en ratones aumenta la expresión de MyoD, alterando la distribución de las fibras de contracción rápida y lenta.

Fusión muscular

Las fibras musculares primarias se originan a partir de mioblastos primarios y tienden a convertirse en fibras musculares lentas. Luego, las fibras musculares secundarias se forman alrededor de las fibras primarias cerca del momento de la inervación. Estas fibras musculares se forman a partir de mioblastos secundarios y generalmente se desarrollan como fibras musculares rápidas. Finalmente, las fibras musculares que se forman posteriormente surgen de células satélite.

Dos genes importantes en la fusión muscular son Mef2 y el factor de transcripción twist . Los estudios han demostrado que los knockouts para Mef2C en ratones conducen a defectos musculares en el desarrollo del músculo cardíaco y liso, particularmente en la fusión. El gen twist juega un papel en la diferenciación muscular.

El gen SIX1 desempeña un papel fundamental en la diferenciación del músculo hipaxial en la miogénesis. En ratones que carecen de este gen, la hipoplasia muscular severa afectó a la mayoría de los músculos del cuerpo, específicamente a los músculos hipaxiales.

Síntesis de proteínas y heterogeneidad de actina

Hay 3 tipos de proteínas producidas durante la miogénesis. Las proteínas de clase A son las más abundantes y se sintetizan continuamente a lo largo de la miogénesis. Las proteínas de clase B son proteínas que se inician durante la miogénesis y continúan durante todo el desarrollo. Las proteínas de clase C son las que se sintetizan en momentos específicos durante el desarrollo. También se identificaron 3 formas diferentes de actina durante la miogénesis.

Sim2 , un factor de transcripción BHLH-Pas , inhibe la transcripción por represión activa y muestra una expresión mejorada en las masas musculares de las extremidades ventrales durante el desarrollo embrionario de pollos y ratones. Lo consigue reprimiendo la transcripción de MyoD uniéndose a la región potenciadora y previene la miogénesis prematura.

La expresión de Delta1 en las células de la cresta neural es necesaria para la diferenciación muscular de los somitas , a través de la vía de señalización Notch . La ganancia y pérdida de este ligando en las células de la cresta neural da como resultado una miogénesis retardada o prematura.

Técnicas

La importancia del corte y empalme alternativo se dilucidó mediante el análisis de microarrarios de diferenciación de mioblastos C2C12 . Se producen 95 eventos de corte y empalme alternativos durante la diferenciación de C2C12 en la miogénesis. Por lo tanto, el empalme alternativo es necesario en la miogénesis.

Enfoque de sistemas

El enfoque de sistemas es un método utilizado para estudiar la miogénesis, que manipula una serie de técnicas diferentes, como tecnologías de detección de alto rendimiento , ensayos basados ​​en células de todo el genoma y bioinformática , para identificar diferentes factores de un sistema. Esto se ha utilizado específicamente en la investigación del desarrollo del músculo esquelético y la identificación de su red reguladora.

El enfoque de sistemas que utiliza secuenciación de alto rendimiento y análisis de chips ChIP ha sido esencial para dilucidar los objetivos de los factores reguladores miogénicos como MyoD y miogenina, sus objetivos interrelacionados y cómo actúa MyoD para alterar el epigenoma en mioblastos y miotubos. Esto también ha revelado la importancia de PAX3 en la miogénesis y que asegura la supervivencia de los progenitores miogénicos.

Este enfoque, que utiliza un ensayo de transfección de alto rendimiento basado en células e hibridación in situ de montaje completo , se utilizó para identificar el regulador miogenético RP58 y el gen de diferenciación del tendón, Mohawk homeobox.

Referencias

enlaces externos