Miogenesi e cellule satellite
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Miogenesi e cellule satellite

Analisi dei meccanismi che regolano la differenziazione muscolare. I 4 fattori di regolazione specifici del muscolo scheletrico: MyoD, Miogenina, MYF-5, MRF4. Mioblasti e fusione nei miotubi e cellule satelliti

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Miogenesi e cellule satellite

Il complesso schema di formazione del tessuto muscolare dipende da una progressione ordinata di segnali molecolari che inducono le cellule primordiali, precursori del muscolo, ad essere determinate in senso miogenico e a subire conseguentemente la differenziazione terminale.

Si può assumere che tutti i muscoli scheletrici, ad eccezione dei muscoli del collo e della testa, originano dai somiti, i quali sono strutture epitelioidi derivati dalla segmentazione del mesoderma parassiale posto lungo ciascun lato della notocorda e del tubo neurale.
Nel corso dello sviluppo, le cellule situate nella parte ventrale del somite perdono la loro morfologia epiteliale e danno origine a cellule mesenchimali (sclerotomo), precursori delle costole, delle vertebre e dei dischi intervertebrali; le cellule nella parte dorsale del somite formano, invece, uno strato epiteliale allungato denominato dermamiotomo. Successivamente, la regione dorsomediale del dermamiotomo dà origine al miotomo che formerà i muscoli del corpo.
Le rimanenti cellule, localizzate nella parte più dorsale dello strato epiteliale (dermatomo), danno origine al derma.

In particolare, le cellule che migrano dalla porzione dorso-mediale del miotomo daranno origine ai muscoli epiassiali (muscoli della colonna), mentre quelle che migrano dalla porzione ventro-laterale formeranno i muscoli ipoassiali (muscoli della parete del corpo e muscoli degli arti).

Proteine miogeniche

L'analisi dei meccanismi che regolano la differenziazione muscolare ha portato alla scoperta di 4 fattori di regolazione specifici del muscolo scheletrico:

  1. MyoD
  2. Miogenina
  3. MYF-5
  4. MRF4

ciascuno dei quali può attivare la trascrizione genica muscolo-scheletrica quando espressi ectopicamente in una varietà di tipi cellulari non muscolari1.

Specificamente, i regolatori miogenici rappresentano fosfoproteine nucleari con funzione di transattivatori della trascrizione per geni specifici della cellula muscolare, quali miosina, la creatin chinasi muscolare (MCK) e il recettore nicotinico dell'acetilcolina (AChR).

I fattori di regolazione miogenica appartengono alla famiglia di fattori di trascrizione detti Proteine b-HLH (Basics helix-loop-helix) tutte le proteine di questa famiglia si legano al DNA in siti simili, attivando specifici geni del muscolo.

L'importanza funzionale dei regolatori miogenici è stata studiata mediante genica. È stato, quindi, dimostrato che topi omozigoti con una mutazione nel gene di MyoD o MYF-5 producono normali quantità di muscolo. Per contro, mutanti doppi omozigoti in cui MyoD e MYF-5 sono assenti presentano un severo deficit nella formazione dei muscoli, indicando che MyoD e MYF-5 condividono una sovrapposizione di funzioni richieste per generare o mantenere l'identità delle cellule muscolari ed attivare miogenina.

In altri studi è stato osservato che topi con una mutazione omozigote nel gene di miogenina contengono mioblasti, dal momento che questi embrioni producono normali quantità di RNA per MyoD, ma queste cellule falliscono nella differenziazione finale, indicando che miogenina ha un'unica funzione nella transizione da mioblasti determinati a miotubi terminalmente differenziati. Da ciò si evidenzia, inoltre, che miogenina agisce a valle di MyoD e MYF-5.

Il fenotipo di topi MRF4-nulli dimostra, invece, che MRF4 non è richiesto per lo sviluppo muscolare e suggerisce che le sue funzioni sono sovrapposte a quelle di miogenina.

L'insieme di questi risultati suggerisce che i fattori di regolazione miogenica potrebbero assecondare aspetti diversi nell'accensione, prosecuzione e mantenimento del programma.

Mioblasti e fusione nei miotubi

Le cellule del Miotomo che producono le proteine Miogenice b-HLH sono i Mioblasti, precursori cellulari impegnati a formare il muscolo. Tali mioblasti durante lo sviluppo embrionale si fondono e formano i miotubi che sono unità plurinucleate, delimitate da una singola membrana plasmatica, che si differenziano in fibre muscolari adulte, le miofibre. Questo fenomeno è divisibile in tappe che, dopo la Proliferazione e l'uscita dal ciclo cellulare, si dividono in:

  • Migrazione: i Mioblasti migrano verso la zona di formazione del muscolo
  • Riconoscimento: i Mioblasti iniziando a secernere Fibronectina nella loro matrice extracellulare si legano tra loro mediante l'Integrina α5β1, il loro principale recettore per la fibronectina
  • Allineamento: i Mioblasti si allineano in catene mediante glicoproteine della membrana cellulare, tra le quali si annoverano diverse caderine (La caderina è una una glicoproteina che media l'adesione cellulare in presenza di Ca2+). In questo passaggio l'allineamento e la fusione avvengono solo se le cellule sono Mioblasti (anche se di specie differenti ad esempio il Ratto e il Pollo 2)
  • Fusione cellulare: in questo passaggio hanno un ruolo fondamentale gli Ioni Ca+, che attivano la fusione mediante l'utilizzo di ionofori per il calcio, che ne permettono il passaggio attraverso la membrana. La fusione sembra essere mediata da una serie di metalloproteinasi, dette Meltrine-α espresse dai mioblasti nel periodo della fusione (nel 1995 si è sperimentato che la fusione è inibita se ai mioblasti si aggiunge RNA anti-senso rivolto contro il messaggero della meltrina-α)

Dopo l'iniziale fusione dei mioblasti, questi secernono Interleuchina-4 (IL-4) che recluta altri Mioblasti per la formazione di un Miotubo maturo.

Il numero delle fibre muscolari nell'embrione e la loro crescita dopo la nascita sembrano essere regolate negativamente dalla Miostatina, prodotta dal muscolo scheletrico in sviluppo e da quello adulto; essa probabilmente agisce in maniera Autocrina.

Cellule Satelliti

Sono cellule staminali o progenitrici che si trovano lungo le fibre muscolari adulte all'interno della lamina basale delle miofibre mature.

La quantità di cellule satellite presenti all'interno di un muscolo dipende dalla sua tipologia. Le fibre rosse (o di tipo 1) tendono ad avere un contenuto di cellule satellite da cinque a sei volte maggiore rispetto alle fibre bianche (o di tipo 2b) per maggiore irrorazione capillare. Ciò può essere dovuto al fatto che le fibre muscolari di tipo 1 sono reclutate con maggiore frequenza (quindi più cellule satellite potrebbero essere necessarie per prevenire danni al muscolo).

Dal punto di vista molecolare sono stati riconosciuti diversi marker che identificano le cellule satelliti.

In particolare l'espressione del marcatore Pax 7 è tipica delle SC quiescenti, mentre altri marcatori sono indicativi dello stato proliferativo e/o differenziativo.

Modelli Di Proliferazione

Sulla base dei marker molecolari sono stati sviluppati due modelli di proliferazione:

  1. A seguito del danno muscolare le cellule satelliti quiescenti Pax7+ coesprimono il fattore MyoD. Dopo essere proliferate come mioblasti derivati dalle cellule Pax7+ e MyoD+, gran parte delle cellule continua ad esprimere il MyoD mentre inibisce il Pax7 in modo da differenziarsi per il rimpiazzo dei mionuclei. L'altra progenie perde invece l'espressione del MyoD ma mantiene quella del Pax7 e contribuisce al rinnovamento delle cellule satelliti stesse
  2. Esistono due tipi di cellule satelliti Pax7+, a seconda che esprimano o meno il marker MYF5 (Pax7+/MYF5+ e Pax7+/MYF5-)

Le cellule Pax7+/MYF5+ si comportano come "transit-amplifying cells" incrementano, cioè, il numero di mioblasti Pax7+/MyoD+ che subiscono una proliferazione limitata prima di diventare Pax7- e differenziare per il rimpiazzo dei mionuclei.
Al contrario, le cellule Pax7+ /MYF5- sono in grado di dividersi in modo asimmetrico, auto-rinnovando da una parte il comparto delle cellule satelliti (Pax7+ /MYF5-) e producendo dall'altra cellule Pax7+/MYF5+ per ripristinare i mionuclei.

Un'aumentata densità di queste cellule è stata osservata in prossimità delle giunzioni neuromuscolari, dei capillari e delle giunzioni miotendinee facendo supporre che queste strutture possano rilasciare fattori in grado di attivarle e di indirizzarle nei siti muscolari specifici ove è richiesta la loro proliferazione e differenziazione.
Gli studi in vitro hanno descritto diversi fattori di crescita in grado di modulare l'attività delle SC, in particolare l'IGF-1 che attiva la loro proliferazione e differenziazione in mioblasti.

Un ruolo cruciale potrebbe anche svolgerlo la Calcineurina, che è una proteina con attività fosfatasica, appartenente alla famiglia delle serina/treonina fosfatasi controllata dal calcio intracellulare, usato dal muscolo come fosse un secondo messaggero per rispondere ed adattarsi agli stimoli ambientali.

La calcineurina è attivata dall'aumento dei livelli intracellulari di calcio e attraverso studi in Vitro è stato dimostrato che l'inibizione della calcineurina blocca completamente la crescita dei miotubi in trattamento con IGF-1.

Poiché la calcineurina promuove la trascrizione e l'attivazione del MEF-2 (Mayocite Enhance Factor-2), della miogenina e del MyoD, questa potrebbe essere in grado di controllare la differenziazione del delle SC e la crescita e la maturazione delle fibre.

Rappresentazione dello sviluppo del muscolo nell'embrione
Rappresentazione dello sviluppo del muscolo nell'embrione
Rigenerazione ad opera delle cellule satelliti nell'adulto
Rigenerazione ad opera delle cellule satelliti nell'adulto