Regulación de la expresión de genes en células musculares
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Enrique Jaimovich
Instituto de Ciencias
Biomédicas,
Facultad de Medicina
Universidad de Chile
Regulación de la expresión de genes
en células musculares
Frequency of recruitment
Loa
d
inactivity
controls
strengthtrained
endurancetrained
Continuum of Physical Activity
El músculo es plástico!
El músculo se “adapta” para cumplir con el nivel de exigencia que se le impone; la exigencia está representada por el ejercicio
El nivel de actividad físicaestá determinado por elreclutamiento y la carga
El músculo se usa más con – entrenamiento de resistencia– entrenamiento de fuerza(no existe un entrenamientoque optimice ambas)
El músculo se usa menos con– reposo prolongado en cama– inmovilización de extremidades– denervación– vuelos espaciales
Mayor utilización: entrenamiento de fuerza
El aumento inicial en la fuerza parece explicado fundame ntalmente porun mayor reclutamiento de fibras.
Mejoras de largo plazo se explican exclusivamente por hi pertrofia
Entrenamiento de resistencia
Poca hipertrofia pero grandes cambios bioquímicos en la adaptación.
Aumenta el número y concentración de mitocondrias y la actividad de encimas oxidativas.
Control 12-weekstreadmill running
Succinate dehy-drogenase (SDH)activity: Low activity lightHigh activity dark
Control Reposo prolongado
Falta de uso:causa atrofia -- USE IT OR LOSE IT!Atrofia individual de fibras (pérdida de miofibrillas)sin pérdida de fibras.
Efecto más pronunciado en fibras tipo II
“Completamente reversible” (en individuos jóvenes y sanos)
Actividad ATPasa
Fibras tipo I claro
Fibras tipo II oscuro
Fibra “fantasma” 3 dias post daño
Reparacion por activacion de celulas satelites
Myology (Sanes, McGraw-Hill, 1994)
Perry and Rudnicki (2000) Frontiers in Bioscience 5:D750-67.
4 días post daño
2 semanas post daño
4 semanas post dañocon irradiación
Ratón knockout para miostatina y F66
Se-Jin Lee, PLos ONE, 2007
Histología del Músculo Esquelético – Tipos de Fibras
Tipo de fibra
Tipo I(lentas)
Tipo II(rápidas)
Rapidez de contracción
lenta
rápidarápidarápida
Tipo de metabolismo
oxidativo
oxidativooxidativo/glicolíticoglicolítico
MyHC
I
IIAIIXIIB
Resistencia a la fatiga
alta
medianamedianabaja
Nomenclatura
Type I / Slow-oxidative (SO) fibers
Type IIA / Fast-oxidative (FO) fibersType IIX / Fast-oxidative glycolytic (FOG) fibersType IIB / Fast-glycolytic (FG) fibers
Fibras lentasSlow-twitch (type I)
myofibersFalta de uso
Entrenamiento de resistenciaEnvejecimiento
Plasticidad del Músculo EsqueléticoEntrenamiento de fuerza
Cambios hormonales
Fibras rápidasFast-twitch (Type II)
myofibers
Control Reposoprolongado
Falta de uso
Actividad ATPasa
Fibras tipo I claro
Fibras tipo II oscuro
Entrenamiento de resistencia
Control 12-semanascorrer en cinta
Actividadsuccinatodehidrogenasa(SDH): Claro: baja act.Oscuro: alta act
Regulación de la transcripción
Regulatory mechanisms that control calcium-dependent c-fos transcription inneurons. At least two separate cis-acting regulatory elements are critical forcalcium-dependent c-fos transcription: the CaRE and the SRE. These elements,as well as the protein complexes that are recruited to each of these elements, areshown. The transcribed region (dark green) and the c-fos mRNA produced bythe c-fos gene (dark green) are also shown.
Favell & Greenberg, Annu. Rev. Neurosci. 2008. 31:563–90
Bers (2002)Nature 415: 198-205
Estimulación hormonal, músculo cardíaco
Regulación de la contracción
Webb (2003) Adv Physiol Edu 27: 201
Músculo liso
ROS Ca2+
MAPK CaM kinase
Calcineurin
HIF-1αααα PPARαααα/d
NFAT
PGC-1αααα
Músculo Esquelético – Vías de Señalización
Oxidative phosphorylation
& mitochondrial function
Glucose Uptake
Fiber Type Transformation
Faty Acid Uptake
& Oxidation
MEF2
? ?
A number of energy-sensing molecules have been shown to sense variations in energy homeostasis and trigger regulation of
gene expression. The AMP-activated protein kinase, hypoxia-inducible factor 1, peroxisome proliferator-activated receptors,
and Sirt1 proteins all contribute to altering skeletal muscle gene expression by sensing changes in the concentrations of
AMP, molecular oxygen, intracellular free fatty acids, and NAD(+), respectively.
Sirt1
AMPKAMP
O2 FFA
NAD+
Wang et al. PLoS Biol v.2(10); Oct 2004
Fibra de músculo esquelético
We have used cultured myotubes as models of muscle cell
plasticity upon electrical and hormone stimulation
Upon membrane depolarization, muscle cells loaded with a
calcium sensitive dye (fluo-3), show two types of signals:
A fast calcium signal associated to contraction
A slow calcium signal, not related to contraction and with a
distinct, long lasting nuclear component
Interval between imáges: 130 ms
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Flu
ores
cenc
e (
∆∆ ∆∆F/
Fo)
Time (s)
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Flu
ores
cenc
e (
∆∆ ∆∆F/F
o)
Time (s)
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Flu
ores
cenc
e (
∆∆ ∆∆F/
Fo)
Time (s)
Myotubes loaded with Fluo-3,Stimulated 45 Hz 400, 1ms pulses
Fast (e-c coupling) and slow (e-t coupling) signals
Nucleus
SR
T-tubule
Estímulo
Sensor
mRNA
TranscriptionFactor
DNA
Excitación-Transcripción
Ca2+
Nucleus
SR
T-tubulePLC
DHPR
IP3R
IP3R
Ca2+
IP3
DAGGβγβγβγβγ
+-+-PV-NES-DsRed
600Time (min)
Activation of STAT3 by electrical stimulation ofMyotubes
p Y705 STAT3
STAT3 total
a) pSTAT3 induction by electrical stimulation is dependenton Intracellular Ca2+
b) Inhibition of JAK2 by 50 µµµµM HBC suppress theincrease in pSTAT3 levels
pSTAT3
ββββ-actin
Time (min) 0 60 60 + 50 uM HBC
0 60 60 + HBC
0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5
n=2
0.000 60.0000.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 ControlPV-NES *
**
n=3** p<0,001** p<0,01
Time (min)
Control DepolarizedRNA samples
cDNA labeling withCy3 or Cy5-dUTP
Oligonucleotide Microarray(Compugen 22K oligomouse)
Hybridization at 55ºC O.N.
ComputationalAnalysis
Dual-laserscanner
(635 and 532nm)•Software GenePixPro3.0•MicroArray database
Genes modulated in C2C12 myotubes after K+
depolarization. 127 genes were found whose
expression changed at least 1.7-fold up or down
under depolarizing conditions. Starting from these
selected genes, functional classification was done
with Tier3 biological process analysis.
Functional clasification of genes
modified after depolarization
N° of genes Tier 3 Biological Process58 metabolism34 cell growth and/or maintenance20 cell communication9 response to external stimulus9 response to stress8 morphogenesis6 cell death6 death4 cell motility2 cell differentiation2 embryonic development2 response to endogenous stimulus1 pattern specification1 bone remodeling1 pigmentation
-30
-20
-10
0
10
20
30
Time (hrs)
Num
ber o
f gen
es
2 4 18 24
Up-regulated genes
Down-regulated genes
Maximal expression or repression of genes at different times
Depolarization-induced slow calcium transients incr easeIL-6 mRNA levels in skeletal muscle cells
U73122 - + - + - +
K+ (h) 0 3 4
GAPDHIL-6
A. K+ (h) 0 2 3 4
2-APB - + - + - + - +
GAPDHIL-6
0
100
200
300
400
500
IL-6
mR
NA
(%
of c
ontr
ol)
***
K+
2-APBU73122
---
-+-
+--
++-
---
--+
+--
+-+
Skeletal muscle excitation-transcription coupling
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
∆∆ ∆∆F/F
0
Time (s)
original signal double exponential fit
18.02 s2.1s
ττττ2ττττ1
Is the slow calcium signal present inadult muscle fibers?
What about the whole muscle stimulating the nerve…
ATP is released after stimulus …and it is degraded
E-T complex
PLC
PI3K
miofilamentos
Matrizextracelular
citoesqueleto
• Estas proteínas se localizan en el citoplasma, núcleo, citoesqueleto, sarcolema, y MEC.
Cohn and Campbell (2000) Muscle Nerve 23:1459-1471.
• Desde el descubrimiento de la distrofina, se han descrito numerosas genes y susproteínas-producto, llevando a los fenotipos celulares y generando modelos para el estudiode las patogénesis de las distrofias.
Distrofias Musculares:Patologías a menudo fatales de deterioro muscular•En el pasado, las distrofias musculares se clasificaron de acuerdo a los síntomas, diferenciassutiles en la presentación clínica como la edad de inicio, músculos involucrados, velocidad de progresión, forma de herencia.