Молекулярная биология клетки - Том 3 - Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. 1994

От клеток к многоклеточным организмам
Поддержание нормальной организации тканей
Происхождение, видоизменение и регенерация ткани скелетных мышц

«Мышечными» называют все типы клеток, функция которых состоит в сокращении, хотя в остальном эти клетки могут быть мало сходны между собой. Как уже говорилось в гл. 11, сократительный аппарат, включающий актин и миозин, - это фундаментальная особенность животных клеток вообще, но в мышечных клетках он особенно сильно развит. У млекопитающих имеются четыре главных типа клеток, специально приспособленных для сокращения: волокна скелетных мышц, клетки сердечной мышцы, гладкомышечные и миоэпителиальные клетки (рис. 17-36). Они различаются по функции, структуре и пути развития.

Рис. 17-36. Четыре типа мышечных клеток млекопитающих. А. Схематические изображения (с соблюдением масштаба). Б- Д. Фотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа: Б - скелетная мышца шеи хомячка; В - сердечная мышца крысы; Г— гладкая мышца из мочевого пузыря морской свинки; Д- миоэпителиальные клетки в альвеоле лактирующей молочной железы крысы. Стрелками на фото В указаны вставочные диски (см. разд. 11.1.14). Обратите внимание, что гладкая мышца показана при меньшем увеличении, чем другие. [Б - с любезного разрешения Junzo Desaki; С-Т. Fujiwara, Cardiac Muscle, in: Handbook of Microscopic Anatomy (E. D. Canal, ed.). Berlin: Springer Verlag, 1986; Г с любезного разрешения Satoshi Nakasiro; Е-Т. Nagato et al., Cell and Tissue Res., 209, 1-10, 1980.]

Хотя все они, по-видимому, используют для создания механической силы актин и миозин, в клетках разного типа эти белки несколько различаются по своей первичной структуре, по-разному организованы во внутреннем пространстве клетки и ассоциированы с разными наборами белков, регулирующих сокращение.

Клетки скелетных мышц, сократительный аппарат которых детально рассмотрен в гл. И, ответственны практически за все произвольные движения. Эти клетки могут иметь огромные размеры (до полуметра в длину и до 100 мкм в диаметре у взрослого человека) и за свою форму получили также название мышечных волокон. Каждая такая клетка представляет собой синцитий, содержащий много ядер в общей цитоплазме. В отличие от этого мышечные клетки трех других типов имеют более обычное строение - в них только по одному ядру. Клетки сердечной мышцы сходны с волокнами скелетной мускулатуры в том отношении, что нити актина и миозина в них образуют упорядоченные системы, придающие клетке исчерченный вид. Гладкомышечные клетки получили свое название потому, что они, напротив, не выглядят исчерченными. Функции у гладкой мускулатуры весьма разнообразны - от проталкивания пищи по пищеварительному тракту до поднятия шерсти дыбом при холоде или страхе. Миоэпителиальные клетки (тоже лишенные исчерченности) в отличие от клеток трех других типов лежат в эпителии и происходят из эктодермы. Эти клетки образуют мускулатуру радужной оболочки глаза, расширяющую зрачок, а также используются для выдавливания слюны, пота и молока из соответствующих желез (см. рис. 17-36, Д).

Четыре главных типа мышечных клеток можно далее подразделить на разные подтипы, каждый из которых имеет свои особенности. Но мы сосредоточим свое внимание на клетках скелетных мышц с их интересным механизмом развития, необычным способом репарации повреждений и поразительной способностью видоизменяться в дифференцированном состоянии.

17.6.1. Новые клетки скелетных мышц образуются путем слияния миобластов [2, 34]

В предыдущей главе было описано, каким образом определенные клетки, происходящие из сомитов на очень ранней стадии развития позвоночного, детерминируются как миобласты (т.е. предшественники клеток скелетных мышц) и мигрируют в соседнюю эмбриональную соединительную ткань - мезенхиму (разд. 16.6.5). Как говорилось в разд. 10.1.8, это определение судьбы клетки как миобласта (а не фибробласта, например), по-видимому, связано с активацией специфического гена, управляющего развитием. После некоторого периода пролиферации миобласты сливаются друг с другом, образуя многоядерные клетки скелетных мышц (рис. 17-37). При слиянии они претерпевают резкое изменение фенотипа в результате координированной активации целой батареи других генов (разд. 10.1.8). После объединения миобластов в синцитий ДНК в ядрах никогда уже больше не реплицируется. Слияние обусловлено специфическим взаимным узнаванием между миобластами: они не сливаются с соседними немышечными клетками. Молекулярная основа процесса узнавания не известна.

Миобласты, размножавшиеся в культуре целых два года, все еще сохраняют способность к дифференцировке, и при надлежащем изменении культуральных условий они будут сливаться, образуя мышечные клетки. По-видимому, ключевым компонентом среды, поддерживающим пролиферацию и препятствующим дифференцировке, служит фактор роста фибробластов (ФРФ): если его удалить, клетки быстро перестают делиться, сливаются и дифференцируются. Однако система регуляции сложна. Для осуществления дифференцировки миобласты должны, например, прикрепиться к межклеточному матриксу. При этом процесс слияния является кооперативным: сливающиеся миобласты, видимо, секретируют какие-то неизвестные факторы, побуждающие к слиянию другие миобласты.

Рис. 17-37. Миобласты in vitro пролиферируют, располагаются упорядоченным образом, а затем сливаются, образуя многоядерные мышечные клетки. Микрофотографии живой культуры (в фазовоконтрастном микроскопе) на последовательных стадиях. Фото В сделано при большем увеличении; видна поперечная исчерченность (указана длинной стрелкой), которая появляется, как только начинает развиваться сократительный аппарат. Видны многочисленные ядра в одной клетке (короткие стрелки). (С любезного разрешения Rosalind Zalin.)

17.6.2. Мышечные клетки могут видоизменять свои свойства в результате смены изоформ специфических белков [35]

Однажды образовавшаяся скелетная мышечная клетка обычно сохраняется до конца жизни животного; при этом она растет, созревает и изменяет свои свойства в соответствии с функциональными потребностями. Геном содержит различные варианты генов, кодирующих многие характерные белки скелетномышечных клеток, причем сплайсинг РНК-транскриптов некоторых генов может происходить по-разному. В результате образуется множество вариантов (так называемых изоформ) белковых компонентов сократительного аппарата. В процессе созревания мышечной клетки подбираются различные сочетания изоформ, приспособленные к меняющимся требованиям в отношении быстроты сокращения и утомляемости у плода, новорожденного и взрослого организма.

В одной и той же мышце можно найти существующие бок о бок мышечные клетки разных типов - каждый тип с особым набором белковых изоформ. У взрослых животных два типа легко распознать даже невооруженным глазом. Красные мышечные волокна, как, например, в темном курином мясе, богаты связывающим кислород белком миоглобином. Белые мышечные волокна, такие как в белом курином мясе, содержат гораздо меньше миоглобина. Различное содержание миоглобина-белка, родственного гемоглобину, - отражает различную потребность в кислороде: для красных волокон более характерно окислительное фосфорилирование, для белых - анаэробный гликолиз. Различные типы метаболизма в свою очередь связаны с разными типами сократительной активности. Красные волокна в ответ на стимуляцию сокращаются медленно, они меньше подвержены утомлению и более эффективны при необходимости длительных усилий. Белые волокна дают быстрый ответ, легче утомляются и более эффективны при отдельных быстрых движениях. Такие мышцы, как, например, бицепсы, обычно содержат смесь нескольких типов мышечных клеток в соотношении, оптимальном для функционирования данной мышцы (рис. 17-38).

Рис. 17-38. Два последовательных среза одного участка мышцы взрослой курицы, окрашенные флуоресцентными антителами, специфическими для двух разных изоформ миозина. А. Белые (быстро сокращающиеся) клетки окрашены антителами к «быстрому» миозину. Б. Красные (медленно сокращающиеся) клетки окрашены антителами к «медленному» миозину. (G. Gauthieret al., J. Cell Biol, 92, 471-484, 1982.)

Изменяя хирургическим путем иннервацию мышц или искусственно стимулируя их вживленными электродами, можно показать, что частот электрического возбуждения сильно влияет на картину экспрессии генов в мышечной клетке. Если «медленную» мышечную клетку стимулировать с частотой, более подходящей для «быстрой» мышцы, то он частично превращается в быструю, и наоборот; это происходит отчасти за счет смены изоформ белков. Как мы уже видели (разд. 17.4.3), такие изменения возможны не только в мышечных клетках: «переключения экспрессии генов, приводящие к появлению вариантов мРНК, чаете происходят при созревании дифференцированной клетки или при ее реакции на окружающие условия.

17.6.3. Некоторые миобласты сохраняются во взрослом организме как покоящиеся стволовые клетки [36]

Мышца может расти тремя способами: возможно увеличение длины дифференцированных мышечных волокон, их толщины и их числа. Поскольку клетки скелетной мышцы не способны делиться, новы волокна могут возникать только путем слияния миобластов. Число многоядерных клеток в скелетных мышцах фактически достигает уровня, свойственного взрослому организму, на весьма ранней стадии развития, у человека - еще до рождения. Последующее колоссальное нарастание мышечной массы идет за счет увеличения размеров отдельных клеток. Рост мышцы в длину зависит от включения все большего числа миобластов в существующие многоядерные клетки, главным образом на их концах, что увеличивает число ядер в каждой клетке. Напротив, утолщение мышцы, как, например, у штангистов, зависит от увеличения размеров и числа сократительных миофибрилл в каждой отдельной клетке (разд. 11.1.1), а не от изменения числа мышечных клеток или их ядер.

Тем не менее и во взрослом организме сохраняются немногочисленные миобласты. Это маленькие, уплощенные и неактивные клетки, находящиеся в тесном контакте со зрелыми мышечными волокнами и окруженные своей базальной мембраной. В случае повреждения мышцы или при ее обработке фактором роста фибробластов в этих так называемых клетках-сателлитах пробуждается пролиферативная активность (рис. 17-39), и их потомки могут сливаться, образуя новые мышечные волокна. Таким образом, эти покоящиеся стволовые клетки в зрелой скелетной мышце находятся в резерве, но при надобности могут служить самообновляющимся источником терминально дифференцированных клеток.

Рис. 17-39. Радиоавтограф одного многоядерного мышечного волокна с прилегающими клетками-сателлитами. Волокно было выделено у взрослой крысы и перенесено в культуральную среду, содержавшую ³Н-тимидин и экстракт из поврежденной мышцы, который стимулирует деление клеток-сателлитов. Делящиеся сателлиты (показаны стрелками) включили метку (зерна серебра имеют вид черных точек). Ядра мышечных клеток не способны к делению и остаются немеченными. (R. Bischoff, Dev. Biol., 115, 140147, 1986.)

Заключение

Клетки (волокна) скелетных мышц у позвоночных составляют один из четырех видов специализированных клеток, несущих функцию сокращения. Они ответственны за произвольные движения. Каждая клетка представляет собой синцитий и образуется в результате слияния миобластов. Миобласты могут быть стимулированы к пролиферации факторами роста, такими как ФРФ, но после слияния они уже делиться не могут. Слияние миобластов обычно сопряжено с началом дифференцировки мышечной клетки, когда в ней координированным образом включается много различных генов. Впоследствии клетки могут видоизменять свой дифференцированный характер путем изменения набора синтезируемых ими изоформ белков. В мышцах взрослого организма часть миобластов продолжает существовать в состоянии покоя в виде клеток-сателлитов. В случае повреждения мышцы они играют роль стволовых клеток - начинают пролиферировать и сливаться, чтобы возместить утрату мышечных волокон.