Содержание белков в мышце во время тренировок регулируется на различных уровнях

Регулярные аэробные упражнения низкой интенсивности (аэробная тренировка) улучшают чувствительность к инсулину, углеводно-жировой обмен и предотвращают опасные нарушения метаболизма, такие как метаболический синдром и диабет второго типа. Частично это связано с тем, что упражнения увеличивают в скелетных мышцах объем и количество митохондрий и активность митохондриальных ферментов, что увеличивает способность мышц окислять углеводы и жиры. Большой интерес представляют молекулярные механизмы, лежащие в основе этих эффектов, в частности, та роль, которую играет увеличение активности генов в увеличении содержания митохондриальных белков. Помимо этого, скелетные мышцы человека — одна из немногих тканей, доступных для многократного взятия биопсических проб, что делает ее удобной моделью.

Сотрудники Института медико-биологических проблем РАН, факультета фундаментальной медицины МГУ, Института фундаментальной медицины и биологии КФУ из Казани и их коллеги исследовали изменения протеома и транскриптома в скелетной мышце у нетренированных мужчин после двух месяцев аэробных тренировок на велотренажере — по часу в день, пять дней в неделю. Пробы мышечной ткани из наружной головки четырехглавой мышцы бедра брали с помощью игольчатой биопсии, изменения транскриптома и протеома исследовали методами РНК-секвенирования и масс-спектрометрии.

В общей сложности было детектировано около 800 белков (14% протеома мышц, представленного в базе данных Human Protein Atlas). Главным образом это были высокопредставленные (с высокой массовой концентрацией) белки — окислительно-восстановительные ферменты, белки, связывающие нуклеиновые кислоты (преимущественно РНК), белки цитоскелета и теплового шока (шапероны), тогда как регуляторные белки — факторы транскрипции, сигнальные молекулы, рецепторы и транспортеры, были детектированы в малом количестве.

Сопоставление увеличения содержания белков, вызванное аэробными тренировками, с изменением уровня активности их генов позволило выяснить, что белки с различными функциями регулируются разными способами. Например, рост количества белков, внеклеточного матрикса сопровождается увеличением количества мРНК (активацией их генов), тогда как увеличение количества митохондриальных белков происходит без изменений количества их мРНК. Оказалось, что митохондриальные белки регулируются на другом уровне: увеличение содержания митохондриальных белков происходило на фоне увеличения содержания шаперонов — белков, ответственных за поддержание и восстановление правильной конформации других белков. Эти данные и биоинформатический анализ позволили авторам предположить, что содержание митохондриальных белков в мышцах возрастает за счет увеличения их стабильности. С точки зрения энергетических затрат, такая регуляция высокопредставленных белков значительно экономичнее, чем регуляция на уровне транскрипции: выгоднее продлевать жизнь белков с помощью шаперонов и регуляторов деградации, чем постоянно синтезировать новые белки.

Авторы также упоминают другие возможные механизмы увеличения количества белков, не связанные с увеличением экспрессии мРНК, например, кэп-независимую регуляцию трансляции, которая позволяет увеличивать синтез белка только для специфичных мРНК.

На вопросы PCR.news отвечает ведущий автор статьи Даниил Попов (Институт медико-биологических проблем РАН, факультет фундаментальной медицины МГУ).

Эта работа имеет отношение к MUSCLE-FANTOM, о котором нам рассказывал Олег Гусев? 

Это исследование было выполнено вместе с нашими коллегами из Казанского федерального университета — Олегом Гусевым и другими, — которые активно работают над проектом MUSCLE-FANTOM. Этот проект направлен на исследование работы регуляторных элементов генома в скелетных мышцах. Для этого используется специальный метод — CAGE (кэп-анализ экспрессии генов). В настоящем исследовании изменения транскриптома оценивались с помощью метода РНК-секвенирования, т.е. полученные данные напрямую к MUSCLE-FANTOM не относятся. Однако сейчас вместе с нашими казанскими коллегами мы проводим несколько исследований (в которых используем CAGE), результаты которых войдут в MUSCLE-FANTOM.

Какие практические возможности даст информация о протеоме и транскриптоме работающих мышц?

Прежде всего, скелетная мышца человека — это очень удобная модель для изучения фундаментальных механизмов регуляции генной экспрессии и содержания белков в тканях человека. Во-первых, скелетная мышца очень пластична, то есть она относительно быстро меняет свои функциональные характеристики при увеличении или при снижении уровня двигательной активности; во-вторых, ее клетки легко «стрессировать», например, с помощью дозированной физической нагрузки. Наконец, скелетная мышца человека доступна для многократного взятия проб ткани; это относительно малотравматичная процедура, которая выполняется с помощью игольчатой биопсии. Если мы будем понимать, как в скелетной мышце регулируется генная экспрессия и содержание белков (что определяет функциональные возможности мышцы), то мы сможем найти подходы для целенаправленного влияния на эти процессы. Это, безусловно, найдет практический выход, прежде всего, для профилактики и борьбы с различными метаболическими нарушениями, с последствиями гипокинезии, от которых страдают жители развитых стран, и т.д.