Czynniki molekularne w

fuzji mioblastów

Na podstawie: „Czynniki molekularne w fuzji mioblastów“ Leokadia Kiełbówna, Marta Migocka-Patrzałek.

Postępy Biologii Komórki, 2014, 41, 4/2014:559-581

dr Marta Migocka-PatrzałekZakład Biologii Rozwoju Zwierząt, Instytut Biologii EksperymentalnejWydział Nauk Biologicznych Uwr, e-mail

Miogeneza

Klasyczny model miogenezy:

1.Embrionalne komórki mięśniowe po okresie proliferacji, wycofują się

z cyklu komórkowego w fazie G1

2. Post-mitotyczne mioblasty przechodzą następujące etapy:

•rozpoznają się,

•wydłużają,

•wyrównują wzdłuż długiej osi,

•podlegają adhezji, w końcu

•zlewają się ze sobą w wielojądrowe miotuby.

Miogeneza

Determinację i różnicowanie mioblastów kontrolują czynniki transkrypcyjne rodziny bHLH:

•MyoD,

•Myf5,

•Miogenina,

•MRF4,

•MEF2.

Miogenezę u strunowców inicjują:

•MyoD lub

•Myf5

FUZJA MIOBLASTÓW

Fuzja mioblastów powstaje w wyniku

zlania się błon komórkowych przylegających do siebie mioblastów

•W bezpośrednim pobliżu błony komórkowej występują pęcherzyki ograniczone

pojedynczą błoną, przypominające liposomy

•Pęcherzyki łączące się z błoną inicjują w niej domeny wolne od cząsteczek,

przypuszczalnie fosfolipidowych

•Błona przylegających do siebie mioblastów zlewa się w jedną dwuwarstwową

błonę, która ostatecznie zanika i prowadzi do połączenia się sarkoplazmy

komórek

Model fuzji mioblastów

Jednowarstwowe pęcherzyki inicjują w błonach komórkowych domeny wolne od „cząsteczek”. Fuzja może być wynikiem działania pęcherzyka obecnego w jednej z dwóch komórek (proces ten zobrazowano z lewej strony ryciny) lub pęcherzyków obecnych w obu komórkach (proces zobrazowany z prawej strony ryciny)

„Czynniki molekularne w fuzji

mioblastów“ Leokadia Kiełbówna, Marta

Migocka-Patrzałek. Postępy Biologii

Komórki, 2014, 41, 4/2014:559-581

Białka transbłonowe w adhezji i przekazywaniu sygnałów

• Za adhezję mioblastów odpowiada wiązanie się zewnątrz-komórkowych domen kadheryn

• Domena cytoplazmatyczna kadheryn wiąże się z cytoszkieletem aktynowym poprzez β- i α-kateniny

Zewnątrzkomórkowa indukcja aktywności kadheryn może prowadzić do:

• zmian morfologicznych mioblastów i

• ekspresji genów mięśniowo-specyficznych

Ścieżki sygnalizacyjne aktywowane przez kadheryny i receptory IgSF

Strzałki nieprzerywane symbolizują bezpośrednie wiązanie się czynników. Strzałki przerywane wskazują, że interakcja nie jest bezpośrednia albo, że dotyczy złożonego procesu (np. ekspresji genów lub fuzji mioblastów). Strzałki przerywane ze znakiem zapytania reprezentują niezbadane jeszcze drogi, które mogą występować w mioblastach. Strzałki przerywane podwójne, skierowane w przeciwnych kierunkach, wskazują, że pomiędzy białkami transbłonowymi zachodzi interakcja, o nieznanym jeszcze wpływowi na drogi sygnalizacyjne

„Czynniki molekularne w fuzji

mioblastów“ Leokadia Kiełbówna, Marta

Migocka-Patrzałek. Postępy Biologii

Komórki, 2014, 41, 4/2014:559-581

Mioferliny i dysferliny • Ekspresja mioferlin wzrasta w wydłużonych, różnicujących się

mioblastach a szczególnie w mioblastach zlewających się

• Ekspresja dysferlin wzrasta w miotubach

W czasie fuzji skoncentrowanie mioferlin widoczne jest w miejscu:

• zlewających się błon komórkowych mioblastów i

• mioblastów zlewających się z miotubą

• W dojrzałych włóknach mięśniowych mioferliny podobnie jak dysferliny występują w błonie komórkowej

* Mioferliny i dysferliny, należą do rodziny ferlin, posiadają wiele domen C2 (wiążących fosfolipidy w sposób zależny od Ca++) w długiej cytoplazmatycznej części, którą poprzedza domena transbłonowa

Budowa mioferliny

Mioferlina zbudowana jest z domeny transbłonowej (TM) i wielu domen C2. Domena C2A wiąże się z fosfolipidami a domena DYSF jest przypuszczalnie miejscem wiązania kaweoliny-3 [„Czynniki molekularne w fuzji mioblastów“ Leokadia Kiełbówna, Marta Migocka-Patrzałek. Postępy Biologii Komórki, 2014, 41, 4/2014:559-581]

Mioferlina

• Mioferlina tworzy kompleks z białkiem EHD2

• Kompleks mioferlina-EHD2 bierze udział w endocytozie białek błonowych

- Po spełnieniu swojej funkcji białka błonowe powracają do błony plazmatycznej – proces ten określany jest mianem „recyclingu”

Osłabienie endocytozy i „recyclingu” zaburza fuzję mioblastów

co wskazuje na endocytarne pochodzenie pęcherzyków biorących udział w procesie zlewania się mioblastów

Mioferliny i dysferliny wchodzą w interakcje również z dużymi białkami cytoplazmatycznymi AHNAK, które uczestniczą w reorganizacji cytoszkieletu aktynowego

Ferliny pośredniczą w endocytozie przyczyniającej się do fuzji

mioblast-mioblast i mioblast-miotuba

Oddziałujące z ferliną białko wiążące aktynę AHNAK (półkole) remodeluje cytoszkielet aktynowy, umożliwiając endocytozę receptora wiążącego ligand. Mioferliny pośredniczą w fuzji endocytotycznych pęcherzyków z endocytotycznym przedziałem „recyclingu” (ERC). Białka EHD (trójkąty) uczestniczą w uwolnieniu pęcherzyków z ERC. W wyniku interakcji EHD z mioferliną pęcherzyki są transportowane z powrotem w kierunku błony komórkowej. Białka EHD oddziałują również z białkami EHBP1 (trapezy), powodując przebudowę cytoszkieletu aktynowego. Mioferliny towarzyszą wbudowaniu się pęcherzyków w sarkolemmę

„Czynniki molekularne w fuzji

mioblastów“ Leokadia Kiełbówna, Marta

Migocka-Patrzałek. Postępy Biologii

Komórki, 2014, 41, 4/2014:559-581

Kalponina 3 w fuzji mioblastów

Kalponina 3 (CNN3) reguluje:

•proces fuzji mioblastów i

•ekspresję genów mięśniowo- specyficznych

Fosforylacja CNN3 zmienia właściwości wiązania aktyny z CNN3, tym

samym reguluje przebudowę cytoszkieletu niezbędną w fuzji

mioblastów

Struktura kalponiny 3

Wszystkie trzy rodziny białek CNN posiadają domenę homologiczną (domena CH) oraz miejsce wiązania aktyny (ABS1). Końcowy fragment białka CNN3, charakterystyczny dla każdej z izoform, jest długi i kwasowy. Kropki w jego obszarze oznaczają dwa główne miejsca fosforylacji (Ser293 i Ser296) CNN3 [„Czynniki molekularne w fuzji mioblastów“ Leokadia Kiełbówna, Marta Migocka-Patrzałek. Postępy Biologii Komórki, 2014, 41, 4/2014:559-581]

Czy kręgowce prezentują ten sam mechanizm fuzji mioblastów co Drosophila?

W odróżnieniu do Drosophila melanogaster molekularne podstawy fuzji mioblastów kręgowców są ciągle słabo poznane

Proces fuzji mioblastów kręgowców i Drosophila wykazuje szereg podobieństw dotyczących:

•rozpoznania się komórek, •wyrównania mioblastów, •adhezji, •zaniku błon komórkowych, •połączenia się cytoplazmy mioblastów, •gromadzenia się elektronowo-gęstych pęcherzyków cytoplazmatycznych w pobliżu zlewających się błon, a następnie elektronowo-gęstych blaszek

Fuzja mioblastów Drosophila

W rozwoju mięśni larw Drosophila występują: •komórka założycielska (ang. founder cell) i •mioblasty zdolne do fuzji – ulegają fuzji z mioblastem założycielskim, ale nie zlewają się z sobą

Kluczowe czynniki biorące udział w fuzji mioblastów na poziomie molekularnym należą do nadrodziny immunoglobulin:

•w komórce założycielskiej są to receptory błonowe Kirre (Duf) i Rst (IrreC) •w komórce zdolnej do fuzji jest to receptor do odbioru sygnałów generowanych przez komórkę założycielską Sns

Duf i Rst mogą działać jako ligandy dla receptorów Sns komórki zdolnej do fuzji

Czy podobny mechanizm funkcjonuje w przypadku kręgowców?

Aby odpowiedzieć na to pytanie badano homologiczny do genu Kirre i Rst Drosophila, gen Kirrel w genomie ryby Brachydanio rerio

Strukturalna organizacja białek Kirre i Rst Drosophila i Kirrel Brachydanio Podobnie jak Kirre i Rst, Kirrel jest białkiem błonowym z 5 Ig-podobnymi domenami w zewnętrznym regionie, z segmentem błonowym (prostokąty w kratkę) i z cytoplazmatycznym ogonem. Zaznaczono również peptyd sygnałowy (zakreskowane prostokąty) oraz regiony o niewielkim zróżnicowaniu sekwencji aminokwasowej (prostokąty)

„Czynniki molekularne w fuzji

mioblastów“ Leokadia Kiełbówna, Marta

Migocka-Patrzałek. Postępy Biologii

Komórki, 2014, 41, 4/2014:559-581

Fuzja mioblastów kręgowców (na przykładzie Brachydanio rerio)

• Wykazano, że obniżenie aktywności Kirrel hamuje fuzję mioblastów:

Kirrel jest ważny dla fuzji mioblastów Brachydanio

• Kolejnym istotnym czynnikiem biorącym udział w procesie fuzji mioblastów Drosophila jest białko Dock180

Białko Dock180 indukuje przebudowę cytoszkieletu aktynowego w odpowiedzi na interakcję pomiędzy komórką założycielską i mioblastami zdolnymi do fuzji, w drodze w

której pośredniczą białka transbłonowe Duf, Rst i Sns

Zbadano, że białko Dock180 jest istotne także w zlewaniu się mioblastów Brachydanio, ponieważ obniżenie jego ekspresji hamuje proces fuzji

WNIOSKI I PERSPEKTYWY

Fuzja mioblastów jest konieczna dla powstania wydłużonych, wielojądrowych włókien mięśniowych

które mogą podjąć funkcje, jakich nie mogłyby wykonać jednojądrowe komórki mięśniowe

Nadal nie jest znany mechanizm leżący u podstaw zmian morfologicznych jakie zachodzą w procesie przekształcania się mioblastów z fibroblasto-podobnych na wydłużone

Wydaje się, że zrozumienie powiązania pomiędzy zmianami morfologicznymi zachodzącymi w mioblastach a aktywacją odpowiednich czynników transkrypcyjnych pozwoli poznać molekularne podstawy tego procesu.

WNIOSKI I PERSPEKTYWY

• Otwartą kwestią jest też pochodzenie i rola pęcherzyków cytoplazmatycznych oraz blaszek elektronowo-gęstych w procesie fuzji mioblastów

• Wykazano istotną rolę kadheryn i ich receptorów w procesie fuzji mioblastów. Ich oddziaływanie inicjuje przekazanie sygnałów z powierzchni komórki do jądra.

Należy jednak zbadać jaki wpływ mają te informacje na cytoszkielet aktynowy i jak dokładnie białka macierzy pozakomórkowej wpływają na miogenezę?

• Bardzo interesujące wydaje się odkrycie białek biorących udział w zlewaniu się błon komórkowych tzw. fuzogenów. Dotychczas badano ich rolę m.in. w fuzji trofoblastów łożyska. Czy fuzogeny biorą udział w miogenezie?