La miogénesis es la formación de tejido muscular esquelético , particularmente durante el desarrollo embrionario .
Las fibras musculares generalmente se forman a través de la fusión de mioblastos precursores en fibras multinucleadas llamadas miotubos . En el desarrollo temprano de un embrión , los mioblastos pueden proliferar o diferenciarse en un miotubo. Lo que controla esta elección in vivo generalmente no está claro. Si se colocan en un cultivo celular, la mayoría de los mioblastos proliferarán si hay suficiente factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) u otro factor de crecimiento en el medio que rodea a las células. Cuando el factor de crecimiento se agota, los mioblastos dejan de dividirse y experimentan una diferenciación terminal en miotubos. La diferenciación de los mioblastos se produce en etapas. La primera etapa implica la salida del ciclo celular y el comienzo de la expresión de ciertos genes.
La segunda etapa de diferenciación implica la alineación de los mioblastos entre sí. Los estudios han demostrado que incluso los mioblastos de ratas y pollos pueden reconocerse y alinearse entre sí, lo que sugiere una conservación evolutiva de los mecanismos involucrados. [1]
La tercera etapa es la fusión celular propiamente dicha . En esta etapa, la presencia de iones de calcio es fundamental. En los seres humanos, la fusión se ve facilitada por un conjunto de metaloproteinasas codificadas por el gen ADAM12 y por una variedad de otras proteínas. La fusión implica el reclutamiento de actina a la membrana plasmática , seguido de una aposición cercana y la creación de un poro que posteriormente se ensancha rápidamente.
En muchos laboratorios se están investigando activamente nuevos genes y sus productos proteínicos que se expresan durante el proceso. Entre ellos se incluyen:
Hay varias etapas (enumeradas a continuación) del desarrollo muscular, o miogénesis. [4] Cada etapa tiene varios factores genéticos asociados cuya falta dará lugar a defectos musculares.
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Factores genéticos asociados: PAX3 y c-Met
Las mutaciones en PAX3 pueden provocar una falla en la expresión de c-Met. Dicha mutación daría como resultado una falta de migración lateral.
PAX3 media la transcripción de c-Met y es responsable de la activación de la expresión de MyoD; una de las funciones de MyoD es promover la capacidad regenerativa de las células satélite (descrita a continuación). [4] PAX3 generalmente se expresa en sus niveles más altos durante el desarrollo embrionario y se expresa en un grado menor durante las etapas fetales; se expresa en células hipaxiales migratorias y células dermomiotomas, pero no se expresa en absoluto durante el desarrollo del músculo facial . [4] Las mutaciones en Pax3 pueden causar una variedad de complicaciones, incluido el síndrome de Waardenburg I y III, así como el síndrome de sordera craneofacial-mano. [4] El síndrome de Waardenburg se asocia con mayor frecuencia con trastornos congénitos que afectan el tracto intestinal y la columna vertebral, una elevación de la escápula, entre otros síntomas. Cada etapa tiene varios factores genéticos asociados sin los cuales resultará en defectos musculares. [4]
Factores genéticos asociados: c-Met / HGF y LBX1
Las mutaciones en estos factores genéticos provocan una falta de migración.
LBX1 es responsable del desarrollo y la organización de los músculos en la parte dorsal de las extremidades anteriores, así como del movimiento de los músculos dorsales hacia la extremidad después de la delaminación . [4] Sin LBX1, los músculos de las extremidades no se formarán correctamente; los estudios han demostrado que los músculos de las extremidades posteriores se ven gravemente afectados por esta eliminación, mientras que solo los músculos flexores se forman en los músculos de las extremidades anteriores como resultado de la migración de los músculos ventrales. [4]
El c-Met es un receptor de tirosina quinasa necesario para la supervivencia y proliferación de los mioblastos migratorios. La falta de c-Met altera la miogénesis secundaria y, como en el caso de LBX1, impide la formación de la musculatura de las extremidades. [4] Está claro que el c-Met desempeña un papel importante en la delaminación y la proliferación, además de en la migración. PAX3 es necesario para la transcripción del c-Met. [4]
Factores genéticos asociados: PAX3 , c-Met , Mox2, MSX1 , Six, Myf5 y MyoD
Mox2 (también conocido como MEOX-2) desempeña un papel importante en la inducción del mesodermo y la especificación regional . [4] Alterar la función de Mox2 impedirá la proliferación de precursores miogénicos y provocará una formación anormal de patrones en los músculos de las extremidades. [5] En concreto, los estudios han demostrado que las extremidades traseras se reducen gravemente en tamaño, mientras que los músculos específicos de las extremidades delanteras no se forman. [4]
Myf5 es necesario para la proliferación adecuada de mioblastos. [4] Los estudios han demostrado que el desarrollo muscular de ratones en las regiones intercostal y paraespinal se puede retrasar inactivando Myf-5. [4] Se considera que Myf5 es el gen del factor regulador expresado más temprano en la miogénesis. Si tanto Myf-5 como MyoD se inactivan, habrá una ausencia completa de músculo esquelético. [4] Estas consecuencias revelan aún más la complejidad de la miogénesis y la importancia de cada factor genético en el desarrollo muscular adecuado.
Factores genéticos asociados: Myf5 y MyoD
Una de las etapas más importantes en la determinación de la miogénesis requiere que tanto Myf5 como MyoD funcionen correctamente para que las células miogénicas progresen normalmente. Las mutaciones en cualquiera de los factores genéticos asociados harán que las células adopten fenotipos no musculares. [4]
Como se dijo anteriormente, la combinación de Myf5 y MyoD es crucial para el éxito de la miogénesis. Tanto MyoD como Myf5 son miembros de la familia de factores de transcripción de proteínas bHLH miogénicas (hélice-bucle-hélice básica). [6] Las células que producen factores de transcripción bHLH miogénicos (incluidos MyoD o Myf5) están comprometidas con el desarrollo como una célula muscular. [7] En consecuencia, la eliminación simultánea de Myf5 y MyoD también da como resultado una falta total de formación de músculo esquelético . [7] La investigación ha demostrado que MyoD activa directamente su propio gen; esto significa que la proteína producida se une al gen myoD y continúa un ciclo de producción de proteína MyoD. [7] Mientras tanto, la expresión de Myf5 está regulada por Sonic hedgehog , Wnt1 y MyoD mismo. [4] Al notar el papel de MyoD en la regulación de Myf5, la interconexión crucial de los dos factores genéticos se vuelve clara. [4]
Factores genéticos asociados: Miogenina , Mcf2, Six, MyoD y Myf6
Las mutaciones en estos factores genéticos asociados impedirán que los miocitos avancen y maduren.
La miogenina (también conocida como Myf4) es necesaria para la fusión de células precursoras miogénicas con fibras nuevas o ya existentes. [4] En general, la miogenina está asociada con la amplificación de la expresión de genes que ya se están expresando en el organismo. La eliminación de la miogenina da como resultado una pérdida casi completa de fibras musculares diferenciadas y una pérdida grave de masa muscular esquelética en la pared lateral/ventral del cuerpo. [4]
Myf-6 (también conocido como MRF4 o Herculina) es importante para la diferenciación de los miotubos y es específico del músculo esquelético. [4] Las mutaciones en Myf-6 pueden provocar trastornos que incluyen miopatía centronuclear y distrofia muscular de Becker . [4]
Factores genéticos asociados: LBX1 y Mox2
En la formación muscular específica, las mutaciones en factores genéticos asociados comienzan a afectar regiones musculares específicas. Debido a su gran responsabilidad en el movimiento de los músculos dorsales hacia la extremidad después de la delaminación, la mutación o deleción de Lbx1 da como resultado defectos en los músculos extensores y de las extremidades posteriores. [4] Como se indicó en la sección Proliferación, la deleción o mutación de Mox2 causa un patrón anormal de los músculos de las extremidades. Las consecuencias de este patrón anormal incluyen una reducción grave en el tamaño de las extremidades posteriores y la ausencia completa de los músculos de las extremidades anteriores. [4]
Factores genéticos asociados: PAX7
Las mutaciones en Pax7 impedirán la formación de células satélite y, a su vez, impedirán el crecimiento muscular postnatal. [4]
Las células satélite se describen como mioblastos quiescentes y sarcolema de fibra muscular vecina . [4] Son cruciales para la reparación del músculo, pero tienen una capacidad muy limitada para replicarse. Activadas por estímulos como una lesión o una carga mecánica alta, las células satélite son necesarias para la regeneración muscular en organismos adultos. [4] Además, las células satélite también tienen la capacidad de diferenciarse en hueso o grasa. De esta manera, las células satélite tienen un papel importante no solo en el desarrollo muscular, sino también en el mantenimiento del músculo hasta la edad adulta. [4]
Durante la embriogénesis , el dermomiotomo y/o el miotoma en los somitas contienen las células progenitoras miogénicas que evolucionarán hacia el futuro músculo esquelético. [8] La determinación del dermomiotomo y el miotomo está regulada por una red reguladora de genes que incluye un miembro de la familia T-box , tbx6, ripply1 y mesp-ba. [9] La miogénesis esquelética depende de la estricta regulación de varios subconjuntos de genes para diferenciar los progenitores miogénicos en miofibras. Los factores de transcripción básicos hélice-bucle-hélice (bHLH), MyoD, Myf5, miogenina y MRF4 son fundamentales para su formación. MyoD y Myf5 permiten la diferenciación de los progenitores miogénicos en mioblastos, seguida de la miogenina, que diferencia el mioblasto en miotubos. [8] MRF4 es importante para bloquear la transcripción de promotores específicos del músculo, lo que permite que los progenitores del músculo esquelético crezcan y proliferen antes de diferenciarse.
Hay una serie de eventos que ocurren para impulsar la especificación de las células musculares en el somita. Tanto para las regiones lateral como medial del somita, los factores paracrinos inducen a las células del miotoma a producir proteína MyoD, lo que hace que se desarrollen como células musculares. [10] Un factor de transcripción ( TCF4 ) de los fibroblastos del tejido conectivo está involucrado en la regulación de la miogénesis. Específicamente, regula el tipo de fibra muscular desarrollada y su maduración. [4] Los niveles bajos de TCF4 promueven tanto la miogénesis lenta como la rápida, promoviendo en general la maduración del tipo de fibra muscular. Por lo tanto, esto muestra la estrecha relación del músculo con el tejido conectivo durante el desarrollo embrionario. [11]
La regulación de la diferenciación miogénica está controlada por dos vías: la vía de la fosfatidilinositol 3-quinasa /Akt y la vía de Notch /Hes, que trabajan de manera colaborativa para suprimir la transcripción de MyoD. [6] La subfamilia O de las proteínas forkhead ( FOXO ) desempeña un papel fundamental en la regulación de la diferenciación miogénica, ya que estabiliza la unión de Notch/Hes. Las investigaciones han demostrado que la inactivación de FOXO1 en ratones aumenta la expresión de MyoD, alterando la distribución de las fibras de contracción rápida y lenta. [6]
Las fibras musculares primarias se originan a partir de mioblastos primarios y tienden a convertirse en fibras musculares lentas. [4] Luego, alrededor de las fibras primarias se forman fibras musculares secundarias cerca del momento de la inervación. Estas fibras musculares se forman a partir de mioblastos secundarios y generalmente se desarrollan como fibras musculares rápidas. Finalmente, las fibras musculares que se forman más tarde surgen de células satélite. [4]
Dos genes importantes en la fusión muscular son Mef2 y el factor de transcripción Twist . Los estudios han demostrado que la eliminación de Mef2C en ratones conduce a defectos musculares en el desarrollo del músculo cardíaco y liso, particularmente en la fusión. [12] El gen Twist desempeña un papel en la diferenciación muscular.
El gen SIX1 desempeña un papel fundamental en la diferenciación muscular hipoaxial durante la miogénesis. En ratones que carecían de este gen, la hipoplasia muscular grave afectó a la mayoría de los músculos del cuerpo, específicamente a los músculos hipoaxiales. [13]
En los mioblastos, la PtdIns5P, producida por la fosfatasa lipídica MTM1, es metabolizada rápidamente por la PI5P 4-quinasa α en PI(4,5)P2, que se acumula en la membrana plasmática. Esta acumulación facilita la formación de protuberancias similares a podosomas, donde se localiza el fusógeno Myomaker, que desempeña un papel crucial en la regulación espaciotemporal de la fusión de mioblastos. [14]
Existen 3 tipos de proteínas producidas durante la miogénesis. [5] Las proteínas de clase A son las más abundantes y se sintetizan continuamente durante la miogénesis. Las proteínas de clase B son proteínas que se inician durante la miogénesis y continúan durante el desarrollo. Las proteínas de clase C son aquellas sintetizadas en momentos específicos durante el desarrollo. También se identificaron 3 formas diferentes de actina durante la miogénesis.
Sim2, un factor de transcripción BHLH-Pas, inhibe la transcripción mediante represión activa y muestra una expresión aumentada en las masas musculares de las extremidades ventrales durante el desarrollo embrionario de pollos y ratones. Lo logra reprimiendo la transcripción de MyoD mediante la unión a la región potenciadora y previene la miogénesis prematura. [15]
La expresión de Delta1 en las células de la cresta neural es necesaria para la diferenciación muscular de los somitas , a través de la vía de señalización Notch . La ganancia y pérdida de este ligando en las células de la cresta neural da como resultado una miogénesis retrasada o prematura. [16]
La importancia del splicing alternativo se dilucidó mediante el análisis de microarreglos de mioblastos C2C12 diferenciados. [17] 95 eventos de splicing alternativo ocurren durante la diferenciación de C2C12 en la miogénesis. Por lo tanto, el splicing alternativo es necesario en la miogénesis.
El enfoque de sistemas es un método utilizado para estudiar la miogénesis, que manipula una serie de técnicas diferentes, como tecnologías de detección de alto rendimiento , ensayos basados en células de todo el genoma y bioinformática , para identificar diferentes factores de un sistema. [8] Esto se ha utilizado específicamente en la investigación del desarrollo del músculo esquelético y la identificación de su red reguladora.
El enfoque de sistemas que utiliza secuenciación de alto rendimiento y análisis ChIP-chip ha sido esencial para dilucidar los objetivos de los factores reguladores miogénicos como MyoD y miogenina, sus objetivos interrelacionados y cómo MyoD actúa para alterar el epigenoma en mioblastos y miotubos. [8] Esto también ha revelado la importancia de PAX3 en la miogénesis y que asegura la supervivencia de los progenitores miogénicos. [8]
Este enfoque, que utiliza un ensayo de transfección de alto rendimiento basado en células y una hibridación in situ de montaje completo , se utilizó para identificar el regulador miogenético RP58 y el gen de diferenciación de tendones, Mohawk homeobox. [8]