Гипертрофия в скелетных мышцах регулируется синтезом белка посредством сигналлинга от инсулина-, аминокислот- и физических упражнений.

Автор перевода Филиппычев А.С.

  В клетках млекопитающих есть огромное количество путей, которые предназначены преобразовывать сигналы от внешних раздражителей в такие процессы, как усвоение нутриентов, обмен веществ, транскрипцию генов и трансляцию мРНК. В большинстве случаев система передачи информации состоит из группы протеинкиназ, которые служат для управления сигналом, или сигналами, на конечную точку данного пути. Однако, пути сигнальной передачи редко бывают линейные, а напротив часто имеют много точек разветвления и несколько мест, на которых сигнальные события могут быть активированы каскадом киназ. Примером такого комплексного типа может служить общий путь, который активируется инсулином, аминокислотами и упражнениями с отягощениями, то есть сигнальный путь PI3K – mTOR. Задачей настоящей статьи является обзор текущего понимания того, как указанные разрозненные сигналы активируют данный путь, как
сигналы от отдельных раздражителей интегрированы между собой, а акцентом являются сигналы посредством  инсулина, аминокислот и физическими упражнениями, способствующими мышечной гипертрофии. Настоящая статья является лишь кратким обзором, информация приведенная в ней селективная. Для более детального обсуждения
данной темы читатель может ознакомиться с др. работами авторов, к примеру (Kimball et al. 2002; Bolster et al. 2003)

PI3K является липидной киназой, которая фосфорилирует гидроксильную группу в положении D3 фосфатидилинозита-4,5-дифосфата, что приводит в результате к производству фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфата в плазматической мембране клетки (Cantley, 2002). Производству фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфата посредством липидной фосфатазы противостоит PTEN (Гомолог фосфатазы и тензина).(см.рис.). Фосфатидилинозит-3,4,5-трифосфата рекрутирует белки, содержащиеся в  плекстрин-гомологических доменах цитоскелета клетки, такие как фосфатидилинозитол-зависимая протеинкиназа и Akt /РКВ (протеинкиназа В), к плазматической мембране, где они активируются.

Akt/PKB является точкой ветвления сигнального пути PI3K – mTOR и ранее уже сообщалось в частности о том, что данная протеин-киназа фосфорилирует киназу гликогенсинтазы (GSK) 3b в положении Ser9 (Ser23 на GSK-3а (см. Coffer et al. 1998), mTOR в положении Ser2448 (Nave et al. 1999) и Туберозный (клубневый) склеротический комплекс (TSC) 2 на нескольких остатках, в том числе Ser 939, Ser1130 и Thr1462 (см. Manning & Cantley,2003). Фосфорилирование GSK-3b в положении Ser9 приводит к его инактивации, данное событие в свою очередь приводит к дефосфорилированию и активации Фактора Инициации у экариот (eIF) 2B (Welsh et al. 1998).

  TSC2 в комплексе с TSC1 в обычном состоянии подавляют передачу сигнала через mTOR, но его фосфорилирование через Akt / РКВ ингибирует данную функцию в TSC2 (подробнее Manning & Cantley, 2003) И хотя механизм, посредством которого комплекс TSC1-TSC2 подавляет сигналлинг mTOR полностью определен, последние исследования (Garami et al. 2003; Zhang et al. 2003) имеют предположение, что, в частности, TSC2 может действовать и  через малый белок Rheb (Гомолог RAS, витаминизирующий мозг) в регулировании mTORа. Здесь TSC2 является GTPase (Гуанозин-три-фосфатаза) -активирующим  белком для Rheb, который в обычном состоянии подавляет функцию Rheb. (Garami et al. 2003; Zhang et al. 2003) Как Rheb модулирует mTOR–зависимый сигналлинг, доподлинно неизвестно.

  Механизмы, участвующие в стимуляции синтеза белка, которые происходят в ответ на активацию сигнального пути  PI3K – mTOR в зависимости от времени могут быть разделены на две категории. Срочные изменения, т.е. те, которые происходят за время < 1ч и, которые можно отследить в увеличении скорости трансляции мРНК посредством  активации факторов инициации этой трансляции. В противоположность этому, долгосрочные изменения, происходящие после нескольких часов, как правило, являются результатом увеличения числа рибосом, способных к трансляции мРНК (т.е. увеличение в мощности синтеза белка).

  Одним из срочных факторов инициации, который быстро активируется через сигнальный путь PI3K – mTOR является eIF2B, фактор обмена гуанина-нуклеотида eIF2 является вторым таким срочным фактором инициации (подробнее см. Hershey & Merrick, 2000). В течении первого шага инициации трансляции мРНК eIF2 связывается с рибосомной субъединицей 40S в тройной комплекс с GTP (Гуанозинтрифосфат) и инициирует метионин - тРНК. Впоследствии, GTP, связанный с eIF2 гидролизуется до eIF2-GDP (ГуанозинДиФосфат) и  высвобождается из рибосомы. eIF2B восстанавливает GDP связанный с eIF2 до GTP, что позволяет тройному комплексу быть готовым к повторному преобразованию. Так как синтез всех белков начинается с инициирования метионин-тРНК, то активация eIF2B является глобальным стимулом синтеза белка.

  Активация сигнального пути PI3K – mTOR также способствует ускорению фосфорилирования 4Е-ВР1 и S6K1. 4E-BP1 противостоит действиям мРНК связываясь с головкой белка eIF4E и предотвращая его связывание со вторым фактором инициации eIF4G.(подробнее см. Hershey & Merrick, 2000). Фосфорилирование 4E-BP1 позволяет ему освободиться от eIF4E, что дает возможность eIF4E связываться с eIF4G с образованием активного комплекса eIF4F, который обеспечивает связывание мРНК с рибосомной субъединицей 40S. Увеличения в сборке субъединиц eIF4F открывают льготные возможности для увеличения трансляции мРНК с длинными хорошо структурированными 5’-нетранслируемыми областями, такими, как кодируемая орнитин-декарбоксилаза и циклин D1. Избыточная экспрессия eIF4E увеличивает размер клеток, по-видимому, через расширение сборки активного комплекса eIF4F, в то время как экзогенная экспрессия без фосфорилирования формы 4E-BP1 приводит к малому фенотипу клетки (Fingar et al. 2002), что свидетельствует о важности этих двух белков в контроле роста клеток.

  Активация S6K1 также происходит в течение нескольких минут после инициирования сигналлинга через mTOR. S6K1 фосфорилирует рибосомный белок S6, который, как сообщалось, улучшает трансляцию мРНК с непрерывной строки пиримидиновых остатков, расположенных на структуре 5’-головки. (Meyuhas, 2000). Белки, кодируемые такими мРНК, включают рибосомные белки, факторы элонгированной трансляции и поли (А)-связывающий белок. Таким образом, активация S6K1 приводит к быстрому увеличению синтеза определенного подмножества белков. Кроме того, mTOR-сигналлинг повышает транскрипцию рибосомного ДНК. Совместное увеличение трансляции кодируемых рибосомных белков посредством мРНК и повышение транскрипции рибосомных ДНК приводит к рибосомному биогенезу. В увеличении клеточного содержания рибосом заключен один из главных механизмов повышения долгосрочного потенциала синтеза белка в клетке. Подобно эффекту избыточной экспрессии eIF4E экзогенная экспрессия S6K1 увеличивает размер клетки (Fingar et al. 2002). Интересно, что коэкспрессия этих двух белков eIF4E и S6K1 увеличивает в кооперации размер клетки, при этом предполагается, что события, управляемые функциями белков, независимо модулируют клеточный рост.

  В отличие от указанных изменений внутриклеточного сигналлинга в ответ на стимуляцию инсулином, нагрузка на скелетные мышцы не всегда приводят к сопоставимым изменениям в сигнальном пути PI3K - mTOR. К примеру, ни в одном исследовании на сегодняшний день не сообщилось о повышении в активности PI3K после упражнений с сопротивлением на ранних фазах восстановления, и только один доклад имел предположение замедления реакции, в результате которой было выявлено увеличение через 6 ч после упражнений (Hernandez et al. 2000).

Центральная роль mTOR в передаче отклика на гипертрофию в условиях тренировочной перегрузки была протестирована in vivo с введением рапамицина (специфический ингибитор mTOR), который практически полностью блокирует гипертрофию мышц, связанных с синергетическими абляциями. Во втором исследовании с использованием модели синергетической абляции сообщается о том, что перегрузка содействует фосфорилированию Ser2448 на mTOR (Reynolds et al. 2002), результат, который согласуется с активацией Akt / PKB. Недавно опубликованные данные исследований показали увеличение up-регуляции активности Akt в изолированных скелетных мышцах, подвергающихся пассивному стретчингу, который является специфической особенностью для быстро сокращающихся мышц (Sakamoto et al. 2003). Индуцированная только стретчингом активация Akt, была предварительно полностью блокирована через активацию PI3K путем ингибирования PI3K посредством вортманнина. В других исследованиях также было отмечено повышенное фосфорилирование обоих белков и 4E-BP1 и S6K1 в ответ на физическую нагрузку (Baar & Esser, 1999; Bodine et al. 2001;

Nader & Esser, 2001; Rommel et al. 2001) и положительное содействие в up-регуляции селективных генов экспрессии, необходимых для того, чтобы вызвать долгосрочные изменения в увеличение скелетных мышц. Действительно, каждый из этих перечисленных белков является необходимым в передаче воздействия на рост скелетных мышц и, в то время, как предположение вклада отдельных белков в качестве потенцеров в up-регуляцию гипертрофии выглядит заманчиво, все же скоординированные действия от нескольких сигнальных путей являются незаменимым условием в общем процессе гипертрофии.

  Доскональный анализ воздействия аминокислот и инсулина и их вклада в регуляцию синтеза белка скелетных мышц выходит за рамки настоящей статьи. Так что, задача данного краткого обзора будет сосредоточиться исключительно на влиянии аминокислот или инсулина на белковый синтез в контексте упражнений на сопротивление. Несомненно, исследования особой роли аминокислот или инсулина в продвижении изменений в синтезе белка скелетных мышц при упражнениях на сопротивление имеют решающее значение для выяснения механизмов, регулирующих мышечную гипертрофию. Однако, в физиологическом состоянии концепция по существу не имеет значения, так как и инсулин, и аминокислоты не функционируют в изоляции, поскольку оба являются лишь участниками в оптимизации анаболических реакций в скелетных мышцах.

В отличие от результатов исследований на грызунах, повышенные концентрации инсулина при помощи местных инъекций показывали стимулирование синтеза белка в скелетных мышцах человека в состоянии покоя, но гиперинсулинемия ослабляла последующее увеличение синтеза после тренировок с отягощениями (Biolo et al. 1999). Совместная интерпретация этих исследований предполагает некий эндокринный инсулиновый порог в контексте упражнений на сопротивление, который регулирует синтез белка и делает его рефракторным (трудновыполнимым), когда плазменные уровни инсулина выше или ниже искомого диапазона.

Инсулин, аминокислоты и упражнения на сопротивление - все эти факторы приводят к усилению синтеза белка в скелетных мышцах. Общей конечной точкой в передаче сигналов от каждого из стимулов является протеинкиназа mTOR. Ингибирование mTOR рапамицином или посредством генетических методов (к примеру, через РНК-интерференции в культивированных клетках) предотвращает увеличение синтеза белка, вызванные любым из трех обозначенных стимулов. Более того, рапамицин резко ослаблял гипертрофию, наблюдаемую в модели синергетической абляция при упражнениях на сопротивление. По факту, в обоих типах клеток – и в культивированных, и у животных in vivo ингибирование mTOR приводило к уменьшенному фенотипу клеток. В целом, имеющиеся данные строго обозначают центральную роль mTOR в контроле клеточного роста. Теперь, когда важность роли mTOR в процессе гипертрофии была идентифицирована, будущие исследования должны в ближайшее время предоставить более детальную информацию относительно механизмов, с помощью которых аминокислоты и физические упражнения способствуют продвижению сигналлинга через эту киназу. Кроме того, изучение находящихся после mTOR реакций, активируемых ей, и приводящих к экспрессии генов также должно быть адресовано к последующим исследованиям. Вместе такие исследования, направленные как на сигналлинг на входе mTOR, так и на выходе приведут к лучшему пониманию, как инсулин, аминокислоты и упражнения на сопротивления увеличивают белковый синтез и гипертрофию в скелетных мышцах.