La miogénesis es la formación de tejido muscular esquelético , particularmente durante el desarrollo embrionario .
Las fibras musculares generalmente se forman mediante 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. En general, no está claro qué controla esta elección in vivo. Si se colocan en cultivo celular, la mayoría de los mioblastos proliferarán si hay suficiente factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) u otro factor de crecimiento presente en el medio que rodea las células. Cuando se agota el factor de crecimiento, los mioblastos dejan de dividirse y experimentan una diferenciación terminal en miotubos. La diferenciación de 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 implicados. [1]
La tercera etapa es la propia fusión celular . En esta etapa, la presencia de iones de calcio es crítica. La fusión en humanos se ve favorecida por un conjunto de metaloproteinasas codificadas por el gen ADAM12 y una variedad de otras proteínas. La fusión implica el reclutamiento de actina en la membrana plasmática , seguido de una estrecha aposición y la creación de un poro que posteriormente se ensancha rápidamente.
En muchos laboratorios se están investigando activamente genes nuevos y sus productos proteicos que se expresan durante el proceso. Incluyen:
Hay varias etapas (enumeradas a continuación) de desarrollo muscular o miogénesis. [4] Cada etapa tiene varios factores genéticos asociados, cuya falta dará como resultado defectos musculares.
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Factores genéticos asociados: PAX3 y c-Met
Las mutaciones en PAX3 pueden causar una falla en la expresión de c-Met. Tal 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 menor grado 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 craneofacial-sordera-mano. [4] El síndrome de Waardenburg se asocia con mayor frecuencia con trastornos congénitos que afectan el tracto intestinal y la columna, una elevación de la escápula, entre otros síntomas. Cada etapa tiene asociados diversos factores genéticos sin los cuales se producirán 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 organización de los músculos de la extremidad anterior dorsal, 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 en las extremidades anteriores solo se forman músculos flexores como resultado de la migración de los músculos ventrales. [4]
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 LBX1, previene la formación de musculatura de las extremidades. [4] Está claro que c-Met desempeña un papel importante en la delaminación y proliferación además de la migración. PAX3 es necesario para la transcripción de c-Met. [4]
Factores genéticos asociados: PAX3 , c-Met , Mox2, MSX1 , Six, Myf5 y MyoD
Mox2 (también conocido como MEOX-2) juega un papel importante en la inducción del mesodermo y la especificación regional . [4] Deteriorar la función de Mox2 evitará la proliferación de precursores miógenos y provocará un patrón anormal de los músculos de las extremidades. [5] Específicamente, los estudios han demostrado que las extremidades traseras tienen un tamaño muy reducido, mientras que los músculos específicos de las extremidades anteriores 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 intercostales y paraespinales puede retrasarse al inactivar Myf-5. [4] Se considera que Myf5 es el gen del factor regulador expresado más tempranamente en la miogénesis. Si tanto Myf-5 como MyoD están inactivados, habrá una ausencia total 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 indicó 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 miogénicas bHLH (hélice-bucle-hélice básica). [6] Las células que producen factores de transcripción bHLH miogénicos (incluidos MyoD o Myf5) están comprometidas con el desarrollo como 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 el propio MyoD. [4] Al observar el papel de MyoD en la regulación de Myf5, queda clara la interconexión crucial de los dos factores genéticos. [4]
Factores genéticos asociados: Myogenin , 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 previamente existentes. [4] En general, la miogenina se asocia con la amplificación de la expresión de genes que ya se están expresando en el organismo. La eliminación de miogenina produce una pérdida casi completa de fibras musculares diferenciadas y una pérdida grave de masa de músculo esquelético en la pared lateral/ventral del cuerpo. [4]
Myf-6 (también conocido como MRF4 o Herculin) es importante para la diferenciación de 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 de músculos específicos, 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 eliminación de Lbx1 produce defectos en los músculos extensores y de las extremidades posteriores. [4] Como se indica en la sección Proliferación, la eliminación o mutación de Mox2 provoca un patrón anormal de los músculos de las extremidades. Las consecuencias de este patrón anormal incluyen una reducción severa del tamaño de las extremidades traseras y una ausencia total 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 posnatal. [4]
Las células satélite se describen como mioblastos inactivos y sarcolema de fibras musculares vecinas . [4] Son cruciales para la reparación del músculo, pero tienen una capacidad muy limitada de replicación. Activadas por estímulos como lesiones o cargas mecánicas elevadas, las células satélite son necesarias para la regeneración muscular en organismos adultos. [4] Además, las células satélite tienen la capacidad de diferenciarse también en hueso o grasa. De esta manera, las células satélite tienen un papel importante no sólo en el desarrollo muscular, sino también en el mantenimiento del músculo durante la edad adulta. [4]
Durante la embriogénesis , el dermomiotoma y/o miotoma de los somitas contienen las células progenitoras miogénicas que evolucionarán hasta convertirse en el futuro músculo esquelético. [8] La determinación de dermomiotoma y miotoma 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 progenitores miogénicos en mioblastos, seguidos de miogenina, que diferencia el mioblasto en miotubos. [8] MRF4 es importante para bloquear la transcripción de promotores específicos de músculos, 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 participa en la regulación de la miogénesis. En concreto, regula el tipo de fibra muscular desarrollada y sus maduraciones. [4] Los niveles bajos de TCF4 promueven la miogénesis tanto lenta como rápida, promoviendo en general la maduración del tipo de fibra muscular. De este modo, 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 fosfatidilinositol 3-quinasa /Akt y la vía 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 estabilizan la unión de Notch/Hes. La investigación ha demostrado que la eliminación 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] Las fibras musculares secundarias se forman alrededor de las fibras primarias 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 posteriormente surgen de células satélite. [4]
Dos genes importantes en la fusión muscular son Mef2 y el factor de transcripción de torsión . Los estudios han demostrado que las inactivaciones de Mef2C en ratones provocan defectos musculares en el desarrollo del músculo liso y cardíaco, particularmente en la fusión. [12] El gen de torsión desempeña un papel en la diferenciación muscular.
El gen SIX1 desempeña un papel fundamental en la diferenciación del músculo hipaxial en 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 hipaxiales. [13]
Hay 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 todo el desarrollo. Las proteínas de clase C son aquellas que se sintetizan 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 mejorada en las masas musculares de las extremidades ventrales durante el desarrollo embrionario de pollos y ratones. Lo logra reprimiendo la transcripción de MyoD uniéndose a la región potenciadora y previene la miogénesis prematura. [14]
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 de Notch . La ganancia y pérdida de este ligando en las células de la cresta neural produce una miogénesis retrasada o prematura. [15]
La importancia del empalme alternativo se aclaró mediante análisis de microarrays de mioblastos C2C12 diferenciados . [16] 95 eventos de empalme alternativos ocurren durante la diferenciación de C2C12 en la miogénesis. Por lo tanto, el empalme 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 de chips ChIP ha sido esencial para dilucidar los objetivos de factores reguladores miógenos como MyoD y miogenina, sus objetivos interrelacionados y cómo actúa MyoD para alterar el epigenoma en mioblastos y miotubos. [8] Esto también ha revelado la importancia de PAX3 en la miogénesis y que garantiza 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, homeobox Mohawk. [8]