При старении мышцы сохраняют память о периодах бездействия

Саркопения, то есть потеря мышечной массы, — одно из распространенных проявлений старения, которое может приводить к инвалидизации. При старении способность мышц к регенерации снижается, происходит их атрофия. Международный коллектив ученых задался вопросом: изменяется ли в таком случае при старении ответ мышц на периоды бездействия?

В рамках исследования проводились эксперименты с участием людей и крыс. В первом случае у здоровых молодых добровольцев на две недели иммобилизовывали одну конечность (с помощью бандажа), после чего семь недель они вели обычный образ жизни, а затем следовал период повторного бездействия в течение двух недель. Перед каждым периодом иммобилизации и после него у участников брали биопсию мышечной ткани и измеряли силы мышц.

В эксперименте на крысах было четыре группы животных: контрольная, группа с атрофией мышц, группа восстановления и группа с повторной атрофией. Всем животным из экспериментальных групп вводили тетродотоксин (TTX) — яд нервно-паралитического действия — в малоберцовый нерв, из-за чего животные не могли использовать голеностопные мышцы-сгибатели. Период бездействия у крыс длился 6–7 дней, затем в течение девяти дней они восстанавливались и вели обычный образ жизни, а затем получали еще одну инъекцию TTX с последующим бездействием в течение 5–6 дней.

У людей после первого периода бездействия мышечная масса и сила мышц снижались на 3–9% и 12–14%, соответственно, затем восстанавливались до исходного уровня и вновь падали во втором периоде бездействия. При этом изменялся состав мышечных волокон: в частности, после повторного бездействия повышалась экспрессия эмбриональной (MYH3) и перинатальной (MYH8) тяжелых цепей миозина. У крыс оба периода атрофии сопровождались значительной потерей мышечной массы (до 30%), однако если у молодых крыс в период между ними восстанавливалась мышечная масса, то у старых ее потеря продолжалась даже в период восстановления от TTX. У животных также изменялся состав мышечных волокон: во всех группах при атрофии повышалась экспрессия тяжелых цепей миозина Myh3/8, характерных для периода развития, на фоне снижения «взрослых» цепей Myh1/4/7 и Myl2/3/pf.

Анализируя динамику транскриптомов в мышцах людей, ученые обнаружили значительные изменения, связанные с обоими периодами бездействия. После первого периода дифференциально экспрессируемых генов (ДЭГ) было в 4-5 раз больше, чем после второго, в обоих случаях экспрессия больше двух третей из них снижалась. При этом 45–50% генов, дифференциально экспрессирующихся после повторного периода бездействия, также входили в число ДЭГ после первого.

Значительнее всего после первого периода инактивации снижалась экспрессия генов NMRK2 (участвует в биогенезе НАД+ в мышцах и сердце) и NR4A3 (ядерный рецептор). После повторного периода бездействия экспрессия NMRK2 также снижалась больше всего, при этом повышалась экспрессия генов MYH8 (перинатальная тяжелая цепь миозина), TNNT2 (тропонин Т сердечной мышцы), CHRNA1 и CHRND (субъединицы никотиновых ацетилхолиновых рецепторов нейромышечных соединений). В целом после обоих периодов бездействия больше всего изменялась экспрессия генов, связанных с дыханием и аэробным метаболизмом, а также функцией митохондрий, причем их экспрессия возвращалась на исходный уровень после восстановления.

В мышцах молодых крыс транскриптомные изменения были схожими: во время периодов восстановления экспрессия генов возвращалась на нормальный уровень, а в ответ на периоды бездействия изменялась экспрессия генов, связанных с окислительным метаболизмом, митохондриями, метаболизмом НАД+.

Напротив, мышцы стареющих крыс не были способны к восстановлению: после первого периода бездействия снижалась экспрессия 56% ДЭГ, после восстановления — 53%, после повторного бездействия — 56% по сравнению с изначальным состоянием. Многие ДЭГ обоих периодов бездействия пересекались, но большая часть генов, экспрессия которых изменялась в период восстановления, была уникальной. Заметнее всего была снижена экспрессия генов, связанных с функцией и стабильностью нейромышечных соединений (Ache, Unc5a, Ntf3, Nfasc), митохондриями и метаболизмом (Park7, Pem1, Nfil3, Gpd1, Acss1, Mc5r, Dhrs7c, G0s2, Fbp2), повреждениями ДНК (Fanca, Ddit4l2). После первого периода бездействия сильно снижалась экспрессия гена Apln — миокина, который вырабатывается мышечными клетками во время физических нагрузок и участвует в процессах восстановления мышц, ангиогенеза и синтеза АТФ. Что интересно, экспрессия этого же гена снижалась в бездействующих мышцах молодых людей. И у животных, и у людей в мышцах после бездействия повышалась экспрессия генов Myh8, Tnnt2, Chrnd, Chrna1.

Транскриптомные изменения сопровождались эпигенетическими: изменения метилома во всех случаях были согласованы с изменениями экспрессии генов.

Так как на транскриптомном уровне наблюдались изменения в экспрессии генов, связанных с метаболизмом НАД+, ученые измерили содержание НАД+ в мышцах. У молодых людей разницы в уровне данного метаболита в мышцах не наблюдалось ни на каком этапе эксперимента, и это согласовалось с тем, что из 14 участвующих в метаболизме НАД+ ферментов изменялась экспрессия только у одного — NMRK2. В то же время у старых крыс изменялась экспрессия половины из этих ферментов, а содержание НАД+ различалось в контрольной и иммобилизованной конечности в периоды бездействия. Во время повторного бездействия уровень НАД+ значительно падал по сравнению с изначальным состоянием и периодом восстановления.

Ученые задались вопросом, может ли модуляция метаболизма НАД+ восстановить способность мышц к регенерации. Из биопсийного материала, полученного от участников эксперимента, они выделили человеческие мышечные стволовые клетки (МСК). На них воздействовали рибозидом никотинамида — субстратом фермента NMRK2 для синтеза НАД+. Выделенные после периода бездействия МСК реагировали сильнее, дифференцируясь в более крупные миотрубочки.

Далее исследователи оценили экспрессию митохондриальных маркеров в мышцах. В мышцах молодых людей после бездействия подавлялась экспрессия большинства генов, связанных с комплексами I-V электронтранспортной цепи (ЭТЦ), но их экспрессия нормализовалась в период возвращения подвижности. Аналогично себя вели гены, связанные с митофагией и фрагментацией митохондрий (DRP1), слиянием митохондрий (MFN1/2, OPA1), биогенезом митохондрий (PGC1A, TFAM). Уровень митохондриальной ДНК (мтДНК) снижался только после повторного бездействия.

В мышцах старых крыс экспрессия генов, ассоциированных с комплексами ЭТЦ, митохондриальным биогенезом и слиянием митохондрий, также снижалась после периодов бездействия и восстанавливалась между ними. При этом после повторного бездействия снижалась экспрессия большего числа генов. Уровень мтДНК уменьшался в течение всего эксперимента: на 18% после первого периода бездействия, на 41% после восстановительного периода и на 50% после повторного бездействия.

Таким образом, при старении мышцы теряют способность к регенерации после периодов сниженной активности. Если у молодых особей метаболизм и митохондриальная активность мышечной ткани восстанавливаются, когда активность возобновляется, то при старении эти ухудшения могут даже усугубляться после повторного бездействия. В будущем ученые собираются рассмотреть, могут ли восстановление метаболизма НАД+ или физические нагрузки уменьшить разрушительное влияние бездействия на стареющие мышцы.

Сменная работа может ускорить старение мышц через сбой их биологических часов