Предыдущая гипертрофия противодействует атрофии неиспользования

Если гипертрофическая тренировка приводит к большему количеству миоядер, это может быть условием для долгосрочного преимущества, даже если гипертрофический стимул исчезает. Это преимущество может проявляться как устойчивость к отсутствию тренировки и связанной с ней атрофией и эффективный отклик на последующую тренировку. Мы воспользовались моделью перегрузки на крысах. Исследования облучения показывают, что активация клеток-сателлитов является необходимым условием для гипертрофии (25) и гипертрофия развивается весьма медленно, так что добавление ядер и увеличение волокна можно отделить друг от друга (25, 26). Чтобы исключить влияние типа волокон изучались только мышечные волокна IIb типа (рис. 5а). После 14 дней перегрузки количество миоядер на одно волокно было увеличено на 30% (P <0,0001; рис 5B). В то время как в среднем, площадь поперечного сечения увеличилась недостоверно на 16 % (рис. 5C). Впоследствии оба типа: контрольные и перегруженные мышцы были денервированны. После двух недель неиспользования мышцы в обеих группах были атрофированы, но в группе, где мышцы были ранее перегружены, атрофия была меньше. К концу эксперимента площадь поперечного сечения у перегруженных мышц была на 33% больше, чем у мышц, не испытывающих перегрузки (рис. 5C).

Рисунок 5.Предыдущая гипертрофическая тренировка замедляет атрофию, возникающую при денервации мышцы

(А) Микрофотография окрашенного волокна, миозин тяжелой цепи IIb (зеленый), дистрофин (красный), и ядра (синий). Стрелками указаны миоядра, которые определяются наличием в центре пятна Hoechst в пределах дистрофинового кольца.

(B) количество ядер в мышечных волокнах IIb типа в нормальной (Con.) и перегруженной (Overl) мышцах. *** Статистическая значимость (р <0,0001). (С) размер мышечного волокна в перегруженных мышцах в течение 14 дней (Overl.), в мышцах контрольной группы (Con.) и в перегруженных 14 дней мышцах, которые были затем денервированны в течение 14 дней (Overl. + ден.) относительно мышц денервированных в течение 14 дней(Den.). # # Статистическая значимость от денервированных мышц (P <0,001).

ОБСУЖДЕНИЕ

Мы показали, что увеличению размера волокон при гипертрофии перегрузкой предшествует увеличение количества ядер, таким образом, что увеличение размера мышечных волокон может быть причинно связано с более высокой общей мощностью синтеза белка от большего количества миоядер. Увеличение ядер, кажется, достаточно устойчивое и не зависит от существующей гипертрофии, потому что даже в сильно атрофированных волокнах поддерживалось повышенное количество миоядер после трех месяцев денервации.

Наши данные не подтверждают простую парадигму о постоянном объеме мионуклеарного домена, в котором ядра приобретаются посредством гипертрофии, а затем теряются во время атрофии. Таким образом, мы хотели бы предложить другую модель (рис. 6), в котором мышечные волокна, не подвергшиеся тренировке, приобретают новые ядра при «первом тренировочном маршруте». Эти вновь приобретенные ядра причинно связаны с последующим увеличением волокна, например, потому что ограничения в синтетической способности для каждого ядра может быть слишком мало, чтобы поддерживать большой домен без увеличения их количества. При последующем отсутствии тренировки мышечные волокна поддерживают повышенное число ядер, которые могут предоставлять сопротивление атрофии. При последующей тренировке прирост размера волокон может возрастать из-за умеренной скорости синтеза белка каждого из этих многих ядер, пропуская стадию добавления вновь образованных ядер. Это может способствовать относительной легкости переподготовки одним индивидуумам по сравнению с другими индивидуумами, которые начинают тренировку впервые.

Рисунок 6.Модель, объясняющая зависимость между размером мышц и количеством миоядер.

В этой модели, миоядра являются постоянными. Ранее нетренированные мышцы приобретают вновь образованные ядра путем слияния клеток-сателлитов, предшествующих гипертрофии. После прекращения тренировки возникает атрофия, но миоядра не теряются. Увеличение количества ядер в мышечных волокнах, предшествующих гипертрофии является механизмом мышечной памяти, объясняя длительные последствия тренировки и легкость, с которой ранее тренированные лица легко снова достигают успехов в тренировке.

Гипотеза о том, что количество миоядер может устойчиво увеличиваться после эпизодической силовой тренировки может иметь последствия для населения, которое использует силовую тренировку для увеличения продолжительности жизни. Мышечная слабость у пожилых людей является серьезной проблемой здравоохранения (27, 28), и гипертрофия, индуцируемая перегрузкой значительно ослабляется у старых животных (29, 30). Количество миоядер может быть ограничивающим фактором (19). Показано, что активация клеток-сателлитов нарушается у пожилых людей (31). Вероятно, это связано с сокращением Notch-сигнализации между клетками (32, 33). Наши результаты показывают, что может быть выгодно «завалить» мышечные волокна ядрами посредством упражнений перед старением. Как было показано, анаболические стероиды увеличивают количество ядер (34, 35), таким образом, выгода от использования стероидов может быть постоянной, если, однако, не считать это как допинг-преступление.

Источником вновь приобретенных ядер во время «начала тренировки» скорее всего, являются клетки-сателлиты (36-38). Наш подход позволил выяснить, что наиболее интенсивный прирост происходит в течение 6-9 дней после введения перегрузки, и это согласуется с предыдущими наблюдениями о том, что гипертрофические стимулы инициируют митоз клеток-сателлитов до этого периода времени (39-41). Увеличение общего белкового синтеза (как и деградации белка) уже было обнаружено через несколько часов после введения гипертрофических стимулов (42-45), в том числе путем моделей гипертрофии, подобных нашей (46, 47). Именно это привело к предположению, что увеличение объема связано с увеличением синтетической способности ядер. И это предшествует появлению дополнительных ядер. В наших экспериментах, размер миоядерного домена был снижен во время фазы роста и остается пониженным, по крайней мере, в течение 12 дней. Даже если предположить, что синтез белка в ядре повышается во время ранней гипертрофии, этот механизм не является основным фактором увеличения размера мышечного волокна. Наши результаты показывают, что увеличение количества ядер является основной причиной гипертрофии.

Они, однако, не исключают, что гипертрофия, может возникать без добавления вновь образованных ядер, например, в экспериментальных условиях, в которых клетки-сателлиты уничтожаются, то есть в таких, как обсуждались недавно (48-59).

Alway с коллегами (23) проведен эксперимент, аналогичный нашему, когда они изучали влияние разгрузки на ранее перегруженные мышцы перепелов. Объединив BrdU окрашивание и окрашивание TUNEL, они показали, что ядра мышечной ткани, перенесшие митоз во время гипертрофии были особенно склонны к апоптозу. На основе этого наблюдения они предположили, что гипертрофия вызывает другую и менее стабильную популяцию миоядер. Этот вывод, кажется, находится в противоречии с нашими выводами, но в большинстве их экспериментов, не было сделано никаких различий между миоядрами и другими ядрами в мышечных тканях. Был приведен только один пример апоптоза ядра внутри коркового слоя дистрофина, не сообщалось также о частоте апоптоза в идентифицированных более доступных миоядрах. В дополнении к настоящему исследованию по отсутствию тренировки, несколько исследований по атрофии теперь не смогут продемонстрировать потерю ядер или миоядерного апоптоз (22, 60, 61). Учитывая методологические ограничения результатов, полученных посредством обычных гистологических методов (61), в настоящее время нет убедительных доказательств того, что из интактных мышечных волокон никогда не были потеряны ядра.

МАТЕРИАЛЫи МЕТОДЫ

Эксперименты на животных. Исследования проводились в Морском медицинском научно-исследовательском институте (NMRI). Были исследованы самки мышей весом 20-30 г. Эти данные представлены на рисунке 5. В остальных случаях изучались самцы крыс весом 270-370 г. Эксперименты на животных были утверждены были проведены в соответствии с Норвежским законом о защите животных от 20 декабря 1975 года.

Далее идет подробное описание всех экспериментальных методик: обезболивания, перегрузки, денервации, окрашивания и т.д).

Статистика. Эффекты отсутствия тренировки на популяцию ядер были протестированы ANOVA и теста Бонферрони для множественных сравнений. Числа даны как среднее ± SEM, если не указано иное.

Благодарности Мы благодарны членам нашей группы за ценные замечания по рукописи и T.К. Larsen по оказанию технической помощи. Это исследование было поддержано Норвежскими грантами 191730 и 182 717 исследований Совета и антидопинговой Норвегии.

Электронная почта: kgunder@imbv.uio.no

Эта статья представляет собой PNAS прямого подчинения. Свободно доступна в Интернете через опцию открытого доступа PNAS.

REFERENCES

1. Staron RS, et al. (1991) Strength and skeletal muscle adaptations in heavy-resistance-trained women after detraining and retraining. J Appl. Physiol 70:631–640. Abstract/FREE Full Text
2. Taaffe DR, Marcus R (1997) Dynamic muscle strength alterations to detraining and retraining in elderly men. Clin Physiol 17:311–324. Medline Web of Science
3. Rutherford OM, Jones DA (1986) The role of learning and coordination in strength training. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 55:100–105. Medline Web of Science
4. MacDougall JD, Elder GC, Sale DG, Moroz JR, Sutton JR (1980) Effects of strength training and immobilization on human muscle fibres. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 43:25–34. CrossRef Medline Web of Science
5. Houston ME, Froese EA, Valeriote SP, Green HJ, Ranney DA (1983) Muscle performance, morphology and metabolic capacity during strength training and detraining: A one leg model. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 51:25–35. CrossRef Medline Web of Science
6. Ivey FM, et al. (2000) Effects of strength training and detraining on muscle quality: Age and gender comparisons. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 55:B152–B157, discussion B158–B159. Abstract/FREE Full Text
7. Smith K, Winegard K, Hicks AL, McCartney N (2003) Two years of resistance training in older men and women: The effects of three years of detraining on the retention of dynamic strength. Can J Appl Physiol 28:462–474. Medline Web of Science
8. Harris C, DeBeliso M, Adams KJ, Irmischer BS, Spitzer Gibson TA (2007) Detraining in the older adult: Effects of prior training intensity on strength retention. J Strength Cond Res 21:813–818. CrossRef Medline Web of Science
9. Strassburger E (1893) Ûber die Wirkungssphäre der kerne und die zellgrösse. Histologische Beiträge 5:97–124. Search Google Scholar
10. Cavalier-Smith T (1978) Nuclear volume control by nucleoskeletal DNA, selection for cell volume and cell growth rate, and the solution of the DNA C-value paradox. J Cell Sci 34:247–278. Abstract
11. Cavalier-Smith T (1980) How selfish is DNA? Nature 285:617–618. CrossRef Medline
12. Merlie JP, Sanes JR (1985) Concentration of acetylcholine receptor mRNA in synaptic regions of adult muscle fibres. Nature 317:66–68. CrossRef Medline
13. Hall ZW, Ralston E (1989) Nuclear domains in muscle cells. Cell 59:771–772. CrossRef Medline Web of Science
14. Sanes JR, et al. (1991) Selective expression of an acetylcholine receptor-lacZ transgene in synaptic nuclei of adult muscle fibres. Development 113:1181–1191. Abstract
15. Ralston E, Hall ZW (1992) Restricted distribution of mRNA produced from a single nucleus in hybrid myotubes. J Cell Biol 119:1063–1068. Abstract/FREE Full Text
16. Gundersen K, Sanes JR, Merlie JP (1993) Neural regulation of muscle acetylcholine receptor epsilon- and alpha-subunit gene promoters in transgenic mice. J Cell Biol 123:1535–1544. Abstract/FREE Full Text
17. Gregory TR (2001) Coincidence, coevolution, or causation? DNA content, cell size, and the C-value enigma. Biol Rev Camb Philos Soc 76:65–101. Medline
18. Bruusgaard JC, Liestøl K, Ekmark M, Kollstad K, Gundersen K (2003) Number and spatial distribution of nuclei in the muscle fibres of normal mice studied in vivo. J Physiol 551:467–478. Abstract/FREE Full Text
19. Bruusgaard JC, Liestøl K, Gundersen K (2006) Distribution of myonuclei and microtubules in live muscle fibers of young, middle-aged, and old mice. J Appl Physiol 100:2024–2030. Abstract/FREE Full Text
20. Alway SE, Siu PM (2008) Nuclear apoptosis contributes to sarcopenia. Exerc Sport Sci Rev 36:51–57. Medline Web of Science
21. Siu PM, Alway SE (2009) Response and adaptation of skeletal muscle to denervation stress: The role of apoptosis in muscle loss. Front Biosci 14:432–452. Medline Web of Science
22. Bruusgaard JC, Gundersen K (2008) In vivo time-lapse microscopy reveals no loss of murine myonuclei during weeks of muscle atrophy. J Clin Invest 118:1450–1457. CrossRef Medline Web of Science
23. Siu PM, Pistilli EE, Butler DC, Alway SE (2005) Aging influences cellular and molecular responses of apoptosis to skeletal muscle unloading. Am J Physiol Cell Physiol 288:C338–C349. Abstract/FREE Full Text
24. Saraste A, Pulkki K (2000) Morphologic and biochemical hallmarks of apoptosis. Cardiovasc Res 45:528–537. Abstract/FREE Full Text
25. Rosenblatt JD, Parry DJ (1992) Gamma irradiation prevents compensatory hypertrophy of overloaded mouse extensor digitorum lon Saraste A, Pulkki K (2000) Morphologic and biochemical hallmarks of apoptosis. Cardiovasc Res 45:528gus muscle. J Appl Physiol 73:2538–2543. Abstract/FREE Full Text
26. S/li Alway SE, Siu PM (2008) Nuclear apoptosis contributes to sarcopenia. Exerc Sport Sci Rev 36:51eiden D (1976) Quantitative analysis of muscle cell changes in compensatory hypertrophy and work-induced hypertrophy. Am J Anat 145:459–465. CrossRef Medline Web of Science
27. Hughes SM, Schiaffino S (1999) Control of muscle fibre size: A crucial factor in ageing. Acta Physiol Scand 167:307–312. CrossRef Medline Web of Science
28. Dutta C, Hadley EC (1995) The significance of sarcopenia in old age. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 50(Spec No):1–4. Web of Science
29. Carson JA, nbsp;Yamaguchi M, Alway SE (1995) Hypertrophy and proliferation of skeletal muscle fibers from aged quail. J Appl Physiol 78:293–299. Abstract/FREE Full Text
30. Alway SE, Degens H, Krishnamurthy G, Smith CA (2002) Potential role for Id myogenic repressors in apoptosis and attenuationli style="text-align: justify;" of hypertrophy in muscles of aged rats. Am J Physiol Cell Physiol 283:C66–C76. Abstract/FREE Full Text
31. Schultz E, Lipton BH (1982) Skeletal muscle satellite cells: Changes in proliferation potentnbsp; Merlie JP, Sanes JR (1985) Concentration of acetylcholine receptor mRNA in synaptic regions of adult muscle fibres. Nature 317:66ial as a function of age. Mech Ageing Dev 20:377–383. CrossRef Medline Web of Science
32. Conboy IM, Conboy MJ, Smythe GM, Rando TA (2003) Notch-mediated restoration of regenerative potential to aged muscle. Science 302:1575–1577. Abstract/FREE Full Text
33. Conboy IM, Rando TA (2005) Aging, stem cells and tissue regeneration: Lessons from muscle. Cell Cycle 4:407–410. Medline Web of Science
34. Kadi F, Eriksson A, Holmner S, Thornell LE (1999) Effects of anabolic steroids on the muscle cells of strength-trained athletes. Med Sci Sports Exerc 31:1528–1534. Medline Web of Science
35. Sinha-Hikim I, et al. (2002) Testosterone-induced increase in muscle size in healthy young men is associated with muscle fiber hypertrophy. Am J Physiol Endocrinol Metab 283:E154–E164. Abstract/FREE Full Text
36. Moss FP, Leblond CP (1970) Nature of dividing nuclei in skeletal muscle of growing rats. J Cell Biol 44:459–462. FREE Full Text
37. Lipton BH, Schultz E (1979) Developmental fate of skeletal muscle satellite cells. Science 205:1292–1294. Abstract/FREE Full Text
38. Schiaffino S, Bormioli SP, Aloisi M (1976) The fate of newly formed satellite cells during compensatory muscle hypertrophy. Virchows Arch B Cell Pathol Incl Mol Pathol 21:113–118. Medline Web of Science
39. Schiaffino S, Bormioli SP, Aloisi M (1972) Cell proliferation in rat skeletal muscle during early stages of compensatory hypertrophy. Virchows Arch B Cell Pathol Incl Mol Pathol 11:268–273. Medline
40. Winchester PK, Davis ME, Alway SE, Gonyea WJ (1991) Satellite cell activation in the stretch-enlarged anterior latissimus dorsi muscle of the adult quail. Am J Physiol 260:C206–C212. Medline Web of Science
41. Snow MH (1990) Satellite cell response in rat soleus muscle undergoing hypertrophy due to surgical ablation of synergists. Anat Rec 227:437–446. CrossRef Medline
42. Smith RH, Palmer RM, Reeds PJ (1983) Protein synthesis in isolated rabbit forelimb muscles. The possible role of metabolites of arachidonic acid in the response to intermittent stretching. Biochem J 214:153–161. Medline Web of Science
43. MacDougall JD, et al. (1995) The time course for elevated muscle protein synthesis following heavy resistance exercise. Can J Appl Physiol 20:480–486. Medline
44. Goldspink DF, et al. (1995) Muscle growth in response to mechanical stimuli. Am J Physiol 268:E288–E297. Medline Web of Science
45. Chen YW, et al. (2002) Response of rat muscle to acute resistance exercise defined by transcriptional and translational profiling. J Physiol 545:27–41. Abstract/FREE Full Text
46. Laurent GJ, Sparrow MP, Millward DJ (1978) Turnover of muscle protein in the fowl. Changes in rates of protein synthesis and breakdown during hypertrophy of the anterior and posterior latissimus dorsi muscles. Biochem J 176:407–417. Medline Web of Science
47. Goldspink DF, Garlick PJ, McNurlan MA (1983) Protein turnover measured in vivo and in vitro in muscles undergoing compensatory growth and subsequent denervation atrophy. Biochem J 210:89–98. Medline Web of Science
48. O’Connor RS, Pavlath GK (2007) Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1099–1100. FREE Full Text
49. McCarthy JJ, Esser KA (2007) Counterpoint: Satellite cell addition is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1100–1102, discussion 1102–1103. FREE Full Text
50. O’Connor RS, Pavlath GK (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1102. FREE Full Text
51. McCarthy JJ, Esser KA (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1103. FREE Full Text
52. Mantilla CB, Sieck GC (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1104, (lett). FREE Full Text
53. Rehfeldt C (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1104, (lett). FREE Full Text
54. Hikida RS (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1104–1105, (lett). FREE Full Text
55. Booth FW (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1105, (lett). Medline Web of Science
56. Kadi F (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1105, (lett). Medline Web of Science
57. Bodine SC (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1105–1106, (lett). Medline Web of Science
58. Lowe DA (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1106, (lett). Medline Web of Science
59. O’Connor RS, Pavlath GK, McCarthy JJ, Esser KA (2007) Last Word on Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1107, (lett). FREE Full Text
60. Wada KI, Takahashi H, Katsuta S, Soya H (2002) No decrease in myonuclear number after long-term denervation in mature mice. Am J Physiol Cell Physiol 283:C484–C488. Abstract/FREE Full Text
61. Gundersen K, Bruusgaard JC (2008) Nuclear domains during muscle atrophy: Nuclei lost or paradigm lost? J Physiol 586:2675–2681. Abstract/FREE Full Text
62. Lichtman JW, Magrassi L, Purves D (1987) Visualization of neuromuscular junctions over periods of several months in living mice. J Neurosci 7:1215–1222. Abstract
63. Utvik JK, Njå A, Gundersen K (1999) DNA injection into single cells of intact mice. Hum Gene Ther 10:291–300. CrossRef Medline Web of Science
64. Wada KI, Katsuta S, Soya H (2003) Natural occurrence of myofiber cytoplasmic enlargement accompanied by decrease in myonuclear number. Jpn J Physiol 53:145–150. CrossRef Medline Web of Science

Перевод А.В.Самсоновой