Механізми білкового балансу в скелетних м’язах

Т.Г. Антоній

Департамент харчових наук, Університет Рутгерса, Нью-Брансвік, Нью-Джерсі 08901 США

білкового

Анотація

1. Вступ

Зростання населення у всьому світі збільшив світовий попит на повноцінне білкове харчування [1]. Потрібні нові стратегії збільшення виробництва м’яса, мінімізуючи шкідливий вплив на навколишнє середовище [2]. Генетичні підходи до збільшення виробництва продуктів тваринного походження шляхом селективного розведення є успішними, але також призводять до економічних, екологічних та етичних ускладнень [3,4]. Загалом, зусилля, спрямовані на задоволення світових потреб у білках проти зменшення екологічного стресу (тобто фізичних, хімічних та біологічних обмежень на продуктивність виду [5]), створюють більший тиск на сільське господарство тварин, ніж будь-коли раніше. З цих причин глибше розуміння основних контрольних точок при визначенні балансу м’язових білків має значення для стійкості сільського господарства тварин.

За останні два десятиліття досягнення геноміки дозволили селективному розведенню бути більш поінформованим і таким чином націленим. Нещодавні технологічні розробки ще більше посилили, якщо не замінили геномний вік віком протеоміки та метаболоміки. Ці технології дозволяють задавати ще більш складні питання, переходячи від моніторингу генотипу до фенотипу [6]. Більш глибоке розуміння фенотипових механізмів, що регулюють м’язову масу, у свою чергу дасть нове розуміння того, як найкраще вирішити екологічні проблеми, що стосуються росту тварин, та покращити загальний стан здоров’я худоби. З огляду на вищевикладене, наступну перспективу було створено, щоб надати базовий огляд останніх досягнень у дослідженні балансу білка скелетних м’язів in vivo. Ця інформація спрямована на інформування галузей вітчизняного та тваринницького виробництва про шляхи кращого моніторингу або зміни потужності та ефективності росту, з акцентом на скелетних м'язах.

2. Еволюція методології оцінки білкового балансу

Програми, які покладаються на методи виявлення на основі антитіл, такі як імуноблотинг, імунофлуоресценція та проточна цитометрія, зазвичай використовуються для візуалізації експресії білка та забезпечення якісного показника протеома. Позначення новосинтезованих білків пуроміцином є більш пізнім методом, що використовується для оцінки нового синтезу білка в м’язах [25,26]. Інший підхід використовує біотинільований пуроміцин для маркування щойно синтезованих білків у безклітинних умовах, після чого проводиться протеомічний аналіз для створення знімка транслатома [27,28]. Ці підходи до мічення білків для оцінки протеома швидші та простіші, ніж двовимірні методи гель-електрофорезу для оцінки протеома [10,29].

3. Мережа протеостазу в скелетних м’язах

4. Синтез м’язового білка контролюється на рівні трансляції мРНК

5. Шляхи деградації білка регулюють м’язову масу

Цільові мутації компонентів автофагічного механізму в скелетних м’язах мишей показали, що макроавтофагія необхідна для ремоделювання м’язів та контролю якості. Зокрема, селективні форми макроавтофагії, такі як мітофагія, відіграють важливу роль у функціонуванні мітохондрій та захисті від окисного стресу під час старіння [79]. Макроавтофагія регулюється станом поживності, стимулюючи голодування та пригнічуючи харчування біомаркерами формування аутофагосом [77]. У новонароджених свиней як інсулін, так і амінокислоти відіграють певну роль у пригніченні макроавтофагії, тоді як CMA не змінюється [80]. Слід зазначити, що функціональна оцінка аутофагії є складною, і існує певна суперечка навколо дійсних біомаркерів дозрівання аутофагосом. Читач спрямований на офіційну позицію, що описує ці міркування [81].

Іншою важливою протеолітичною системою скелетних м’язів є шлях протеїсом убіквітину [71]. Шлях протеасоми убиквітину здійснює селективну деградацію білка за допомогою гідролізу АТФ та мічення клітинного білка поліубіквітиновим ланцюгом. У серії з трьох кооперативних каталітичних реакцій, опосередкованих ферментами E1 (активізація убіквітину), E2 (кон'югування убиквітину) та E3 (лібіза убіквітину), чотири або більше мономерів убиквітину ковалентно приєднуються до білків, відібраних для деструкції протеасомою 26S. Оскільки лігази E3 каталізують кінцевий і обмежуючий швидкість каскад убіквітації, дослідницькі зусилля були спрямовані на виявлення детермінант вибору субстрату. Однак менше половини відомих лігаз Е3 самі по собі містять ферментативну активність; більшість вимагає взаємодії з належним E2, щоб правильно націлити основи на деградацію [82]. Ці взаємозв’язки E2 – E3 у розвитку або атрофії скелетних м’язів здебільшого невідомі.

Багато катаболічних умов відповідають збільшенню експресії або активності ряду лігаз Е3, деякі з яких існують в різних типах клітин, а інші з експресією виключно на скелетних м'язах [83–85]. Дві м'язоспецифічні лібізи убихітину E3, названі Muscle RING Finger 1 (MuRF1) і Muscle Atrophy F-box (MAFbx)/Atrogin-1, добре вивчені за рівнями експресії під час різних станів м'язового катаболізму та атрофії [84]. Інші лігази E3, такі як Nedd4-1, Trim32 та TRAF6, відіграють важливу роль у різних моделях атрофії та різних стадіях розвитку м’язів [71]. Повний перелік лігаз Е3, що мають відношення до контролю м’язової маси, ще не створений, як і ідентичність Е2, які з ними поєднуються. Детальне розуміння цього рівня контролю дозволить виявити нові засоби підвищення екологічної стійкості.