The Effect of Long-Term Physical Disability and Aging on Extracellular Matrix Biogenesis in Human Skeletal Muscle

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Physical inactivity and aging cause significant impairments in the functionality and mechanical properties of skeletal muscles, as well as remodeling of the extracellular matrix (ECM). We aimed to study the effect of long-term inactivity and age on the biogenesis of ECM in skeletal muscle. For quantitative mass spectrometry-based proteomic analysis and RNA sequencing, biopsy samples were taken from m. vastus lateralis in 15 young healthy volunteers, 8 young and 37 elderly patients with long-term primary osteoarthritis of the knee/hip joint – which is a model for studying the effects of inactivity on muscles. We detected 1022 mRNAs and 101 ECM and associated proteins (matrisome). An increase in the expression of two dozen highly abundant matrisome proteins, specific to elderly and young patients (in relation to young healthy people), was detected; however, changes in the expression of mRNA encoding matrisome regulators (enzymatic regulators and secreted proteins) were similar. Comparison with previous proteomic and transcriptomic data showed that the changes in the matrisome that we described differed markedly from the changes caused by aerobic physical training in young healthy people, in particular, in the expression of the dominant ECM proteins and, especially, in the expression of mRNA of ECM enzymatic regulators and secreted proteins. Comparison of the changes in the expression profiles of these regulatory genes may be useful for identifying pharmacological targets for the prevention of adverse changes/activation of ECM biogenesis under various pathological conditions/physical training.

Full Text

Внеклеточный матрикс (ВКМ) составляет до 10% массы скелетных мышц [1, 2] и играет ключевую роль в передаче усилия с сократительного аппарата скелетной мышцы на сухожилия и кости, сохранении целостности интенсивно сокращающихся/растягивающихся мышечных волокон, регуляции ремоделирования и регенерации поврежденной мышцы.

Возрастное снижение функциональных возможностей и массы скелетных мышц – это один из ключевых признаков старения. У пожилых людей наблюдается снижение окислительных возможностей скелетных мышц, их чувствительности к инсулину, а также работоспособности (выносливости) и силы, что негативно влияет на качество жизни [3–5]. Нужно отметить, что на фоне снижения массы мышц происходят выраженные и комплексные изменения в их механических свойствах. Так, в состоянии покоя у пожилых людей наблюдается увеличение жесткости мышечно-сухожильного комплекса, происходящее за счет роста жесткости фасции (эпимизия) и на фоне снижения жесткости сухожилия [6]. Единичные работы обнаружили возрастное увеличение жесткости перимизия и эндомизия (внутримышечная жесткость) у человека [7] и мыши [8], что может быть связано с увеличением содержания конечных продуктов гликирования [9] и/или концентрации белков ВКМ. У человека возрастное увеличение концентрации внутримышечного коллагена (включающего преимущественно коллаген 1 и 3 [2]) было отмечено в большинстве [7, 10–12], но не во всех исследованиях [13]. Необходимо отметить, что, несмотря на многолетнее изучение эффектов старения, данные о возраст-зависимом изменении экспрессии множества других генов, кодирующих белки мышечного ВКМ, представлены фрагментарно [14]. В частности, несколько работ изучали возрастные изменения протеома скелетной мышцы (m. vastus lateralis) человека [11, 15, 16], однако целенаправленное исследование белков ВКМ было выполнено только для мышцы (m. soleus) мыши [17].

Возрастные изменения мышечного ВКМ связаны с комплексным влиянием старения, хронического снижения двигательной активности, воспаления и других факторов. В настоящем исследовании изучали влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на биогенез ВКМ в биопсических пробах m. vastus lateralis (т.е. эндомизий и перимизий). Для этого мы проанализировали протеомные и транскриптомные данные из предыдущего исследования [16] и сопоставили изменения экспрессии генов, кодирующих белки матрисома (около 300 белков ВКМ и 750 ассоциированных с ним белков), в m. vastus lateralis у 1) молодых людей с многолетним первичным остеоартрозом коленного/тазобедренного сустава относительно молодых здоровых людей и 2) пожилых людей с таким же диагнозом относительно молодого здорового контроля (комплексное влияние старения и хронического снижения двигательной активности). Первичный остеоартроз широко используется как модель для изучения влияния хронического снижения двигательной активности на мышцы бедра [18–21]. Список белков матрисома (коллагены, неколлагеновые гликопротеины, протеогликаны, а также ВКМ-аффилированные белки и секретируемые факторы) был взят из базы данных MatrisomeDB [22]. Помимо этого, полученные результаты были сопоставлены с изменениями матрисома m. vastus lateralis молодых здоровых людей, вызванными 2-месячной аэробной тренировкой на велоэргометре и описанными ранее в работе [23].

МЕТОДИКА

Организация исследования. Как было описано нами в работе [16], в исследовании принимали участие 15 молодых здоровых добровольцев (YH; средний возраст и межквартильный разброс 35 [28–38] лет, М : Ж = 13 : 2), 37 пожилых (OP; 72 [69–77] года, М : Ж = 5:32) и 8 молодых (YP; 39 [37–42] лет, М : Ж = 7 : 1) пациентов с многолетним симптоматическим первичным остеоартрозом коленного/тазобедренного сустава. Уровень физических возможностей добровольцев оценивали по опроснику SF-12 [24].

Биопсия мышечной ткани. Пробы мышечной ткани из m. vastus lateralis были взяты утром натощак (через 10-12 ч после последнего приема пищи). У молодых здоровых добровольцев биопсию проводили под местной анестезией (2 мл 2% лидокаина) с использованием модифицированной иглы Бергстрома с аспирацией; у пациентов – инцизионным методом во время операции по замене коленного/тазобедренного сустава. Все образцы помещали в буфер Custodiol (Dr. Franz Köhler Chemie GmbH, Германия) и обрабатывали через 10–15 мин после биопсии: удаляли видимые фрагменты соединительной и жировой ткани, замораживали в жидком азоте и хранили при температуре –80°С.

РНК-секвенирование и обработка данных. Пробоподготовка и анализ данных описаны нами в работе [16]. Кратко, замороженные образцы мышечной ткани (~15 мг) лизировали в буфере ExtractRNA (Evrogen, Россия) с использованием механического гомогенизатора, суммарную РНК выделяли с помощью колонок с селективной сорбцией на кремниевой мембране (RNeasy Mini Kit, Qiagen, Германия). Концентрацию и целостность РНК оценивали с помощью флуориметрии (Qubit 4, ThermoScientific, США) и капиллярного электрофореза (TapeStation, Agilent, Германия) соответственно. Для приготовления библиотек использовали РНК с целостностью (индекс RIN) > 7. Цепь-специфичные библиотеки готовили с помощью набора NEBNext Ultra II Directional RNA Library Preparation kit (NEB, США) и секвенировали (75 нуклеотидов, с одного конца) со средней глубиной 66 млн прочтений на образец на секвенаторе NextSeq 550 (Illumina, США). Исходные данные секвенирования доступны в репозитории NCBI GEO: GSE242202.

Качество секвенирования оценивали с помощью инструмента FastQC (версия 0.11.5). Прочтения низкого качества и адаптерные последовательности были удалены (инструмент Timmomatic, версия 0.36), затем прочтения были выровнены на первичную сборку генома GRCh38.p13. Уникальные выровненные прочтения подсчитывали для известных экзонов каждого гена с использованием пакета Rsubread (среда R) и аннотации Ensembl (GRCh38.101). Изменение экспрессии генов оценивали методом DESeq2 (анализ непарных образцов с поправкой Бенджамини-Хохберга). Гены, изменившие экспрессию, определяли как белок кодирующие гены (а также полиморфные псевдогены и транслируемые псевдогены) с padj < 0.01, изменением экспрессии > 25% и уровнем экспрессии > 1 TPM (транскриптов на миллион, инструмент kallisto v0.46.2).

Протеомный анализ и обработка данных. Пробоподготовка и анализ данных описаны нами в работе [16]. Кратко, замороженные образцы мышечной ткани (~10 мг) гомогенизировали в 140 мкл лизирующего буфера (5% додецилсульфат натрия, 0.1 М Трис и 0.1 М дитиотреитол рН 7.6), затем кипятили (95°С, 5 мин) и обрабатывали фокусированным ультразвуком (сонификатор ME220, Covaris, США). Алкилирование (20 мМ йодацетамид, 15 мин) и гидролиз белка (2 ч при 47°С, трипсин и Lys-C, 1 : 15 и 1 : 30 соответственно, Promega, США) проводили на колонке S-Trap (ProtiFi, США). Пептиды (20 мкг) высушивали, ресуспендировали (100 мМ бикарбонат триэтиламмония), метили изобарическими метками (TMT 10-plex или 16-plex, Thermo Scientific, США) и затем объединяли.

Смесь меченых пептидов разделяли на 24 фракции по гидрофобности в основных условиях (ВЭЖХ Agilent 1200 (Agilent, США)), затем фракции объединяли (1 и 13 и т.д. для получения 12 фракций). Каждую фракцию трижды анализировали с помощью ВЭЖХ Ultimate 3000 RSLC nano system (Thermo Scientific) и масс-спектрометра Q Exactive HF-X (Thermo Scientific) с использованием наноэлектроспрея в режиме положительной ионизации.

Поиск и идентификацию пептидов и белков проводили с использованием платформы MaxQuant (2.1.4.0; Max Planck Institute of Biochemistry) при настройках по умолчанию. Дальнейший анализ был проведен с использованием платформы Perseus (1.6.5; Max Planck Institute of Biochemistry). После фильтрации (удаления потенциальных контаминантов, обратных пептидов, пептидов, идентифицированных только по сайту) для дальнейшего анализа были отобраны белки, идентифицированные по > 1 пептиду (уникальный + “razor”) и присутствующие в > 70% образцов. Белки, изменившие экспрессию, определяли, используя однофакторный дисперсионный анализ с q < 0.05 (значение р с поправкой Бенджамини-Хохберга) и post hoc анализ (тест Тьюки; p < 0.05).

Определение генов ВКМ. Все детектированные нами мРНК/белки сопоставляли с базой данных MatrisomeDB [22], содержащей информацию о белках ВКМ: 44 коллагена, 195 неколлагеновых гликопротеинов и 35 протеогликанов; а также о ВКМ-ассоциированных белках: 238 энзиматических регуляторов, 171 ВКМ-аффилированный белок и 344 секретируемых факторов.

Для генов, изменивших экспрессию, выявляли белки, потенциально взаимодействующие друг с другом. Сеть белок-белковых взаимодействий была построена с помощью базы данных String 12.0 (учитывали экспериментальные данные, литературные источники и базы данных) с использованием метода кластеризации MCL.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на физиологические показатели. В работе [16] мы показали, что хроническое снижение двигательной активности у пожилых (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH) снижает их физические возможности, и нарушает структуру мышечных волокон на продольном срезе (диаметр и форма волокон, смещение ядер от периферии волокна, инфильтрация иммунными клетками и увеличение расстояния между волокнами) (табл. 1). Помимо этого, у пожилых пациентов наблюдалось выраженное (в 2 раза) снижение размеров мышц бедра.

 

Таблица 1. Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на размеры мышц бедра и нарушения структуры мышечных волокон m. vastus lateralis

Показатель

Молодые здоровые (YH)

Молодые пациенты (YP)

Пожилые пациенты (OP)

Возраст, лет

35 [28–38]

39 [37–42]

72 [69–77]***

Индекс массы тела, кг/м2

23.4 [21.8–24.3]

25.8 [25.7–29.8]

30 [27–33.6]***

Субъективная оценка физических

возможностей (опросник SF-12), баллы

56.25 [53.8–57.64]

26.83 [20.5–29.7]*

22.95 [19.5–26.99]***

Площадь поперечного сечения мышц бедра, см2/кг массы тела

1.96 [1.91–2.17]

1.6 [1.4–1.66]

1.23 [1.1–1.34]***

Доля добровольцев с нарушениями

структуры мышечных волокон различной выраженности (нет/среднее/сильное)

0.875/0.125/0

0.22/0.44/0.33

0.09/0.73/0.18

Примечание: представлены медиана и межквартильный разброс. * и *** – изменения относительно YH при p < 0.05 и < 0.001 соответственно.

 

Влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на экспрессию генов матрисома. В отличие от РНК-секвенирования, количественный панорамный масс-спектрометрический анализ позволяет детектировать только часть протеома (преимущественно наиболее высокопредставленные белки). Было детектировано ~10900 мРНК и 1899 белков (https://doi.org/10.5281/zenodo.11386966); среди них к ВКМ относилось 1022 и 101 соответственно (табл. 2). У пожилых пациентов относительно молодых здоровых добровольцев изменили (в основном увеличили) экспрессию 212 мРНК (padj < 0.01) и 20 белков (padj < 0.05) матрисома (табл. 2). Среди них к коллагенам относилось 2 белка и 18 мРНК, к гликопротеинам – 7 белков и 57 мРНК (3 мРНК снизили экспрессию), к протеогликанам – 2 белка и 12 мРНК, к энзиматическим регуляторам – 2 белка и 48 мРНК (16 мРНК снизили экспрессию), к секретируемым факторам – 2 белка и 49 мРНК (10 мРНК снизили экспрессию), а к ВКМ-аффилированным – 5 белков и 28 мРНК (4 мРНК снизили экспрессию). У молодых пациентов, относительно здорового контроля, 165 мРНК и 30 белков изменили (преимущественно увеличили) экспрессию (табл. 2), при этом эти изменения отличались от изменений, описанных ранее (круговые диаграммы на рис. 1). Из них к коллагенам относилось 11 мРНК, к гликопротеинам – 10 белков и 50 мРНК (2 мРНК снизили экспрессию), к протеогликанам – 7 мРНК, к энзиматическим регуляторам – 16 белков и 35 мРНК (3 мРНК снизили экспрессию), к секретируемым факторам – 2 белка и 40 мРНК (6 мРНК снизили экспрессию), а к ВКМ-аффилированным – 2 белка и 22 мРНК (6 мРНК снизили экспрессию).

 

Таблица 2. Количество детектированных и изменивших концентрацию мРНК (padj < 0.01) и белков (padj < 0.05) в m. vastus lateralis у молодых (YP) и пожилых (OP) пациентов относительно молодого здорового контроля (YH)

Категория

белков

Matrisome

Количество белков

в Matrisome

Детекти-

ровано

мРНК

Детекти-

ровано

белков

OP vs YH / YP vs YH

мРНК,

увеличившие содержание

мРНК, снизившие содержание

Белки, увеличившие содержание

Белки, снизившие содержание

Коллагены

44

44

12

18/11

-/-

2/-

-/-

Гликопротеины

195

194

29

54/48

3/2

7/10

-/-

Протеогликаны

35

35

7

12/7

-/-

2/-

-/-

Регуляторы

238

238

30

32/32

16/3

2/16

-/-

Секретируемые факторы

344

342

8

39/34

10/6

2/2

-/-

ВКМ-аффилированные

171

169

15

24/16

4/6

5/2

-/-

Всего

1027

1022

101

179/148

33/17

20/30

-/-

 

Рис. 1. Хроническое снижение двигательной активности у пожилых людей (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH) вызывают частично пересекающиеся между собой изменения в экспрессии мРНК (padj < 0.01) и белков (padj < 0.05) матрисома в m. vastus lateralis. Количество общих и уникальных мРНК (А и В) и белков (Б) показано на пересекающихся и непересекающихся областях диаграмм. Линиями показаны потенциальные белок-белковые взаимодействия; толщина линий пропорциональна релевантности взаимодействия.

 

В обеих группах пациентов повысилась экспрессия мРНК, кодирующих доминирующие белки ВКМ: коллаген 1 (COL1A1, COL1A2 в группе OP и COL1A2 в группе YP), коллаген 4 (COL4A3, COL4A4, COL4A5 у OP и COL4A1, COL4A2 у YP) и 6 (COL6A1, COL6A2, COL6A3 в обеих группах) (рис. 1, А). Однако эти изменения не привели к изменениям в концентрации их белковых продуктов. В обеих группах пациентов было отмечено увеличение концентрации основных компонентов базальной мембраны – различные субъединицы ламинина (LAMs), а в группе OP – содержание COL4A2 (рис. 1, Б).

Масс-спектрометрический протеомный анализ плохо подходит для детекции низкопредставленных мышечных белков [25], среди которых присутствуют регуляторы биогенеза ВКМ: различные цитокины, ростовые факторы, металлопротеиназы и их ингибиторы. Поэтому большой интерес представляют данные по экспрессии мРНК, кодирующих эти белки. Возрастные изменения (OP vs. YH) в экспрессии этих мРНК оказались схожи с изменениями, возникающими при хроническом снижении двигательной активности (YP vs. YH) (рис. 2). При этом у молодых пациентов был отмечен ряд отличий, например повышение экспрессии IL6 (один из ключевых воспалительных цитокинов) и MSTN (негативный регулятор мышечной массы).

 

Рис. 2. Изменения профиля экспрессии мРНК секретируемых факторов (А) и энзиматических регуляторов ВКМ (Б) в m. vastus lateralis при хроническом снижении двигательной активности у пожилых (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH) и после 2-месячной аэробной тренировки. Представлены только значимые изменения (padj < 0.01) в виде log2.

 

Сопоставление изменений, вызванных возрастом и снижением двигательной активности, с эффектами аэробной тренировки. Ранее мы показали, что 2-месячная аэробная тренировка на велоэргометре (т.е. без ударных нагрузок) выраженно активирует биогенез ВКМ: повышает концентрацию основных белков внутримышечного ВКМ (коллагены 1, 3, 4 и 6), экспрессию их мРНК, а также генов-регуляторов биогенеза ВКМ [23] (рис. 3, А, Б). Оказалось, что изменения в профиле экспрессии регуляторов биогенеза ВКМ выраженно отличаются от изменений, вызванных возрастом и снижением двигательной активности. Большинство мРНК цитокинов (CCL18, CXCL9), ростовых факторов (IGF1, IGF2, PDGFB, HGF, PGF, MDK) (рис. 2, А), ферментов, ремоделирующих ВКМ (изоформы лизилоксидазы (LOX), матриксные металлопротеиназы, белки семейства ADAM-протеиназ и ADAMTS-подобных белков, пролил-гидроксилазы P4HA3 и P3H3 и другие ферменты и их ингибиторы) (рис. 2, Б) повысили экспрессию после тренировки, но не изменили или даже снизили экспрессию у молодых и пожилых пациентов. При этом были найдены гены секретируемых факторов (ANGPT2, INHBB, CCL2, S100A11, TNFSF10) и регуляторов ВКМ (протеиназы SULF2, SERPINI1, P3H1, ADAMTS9, HTRA1, катепсины CTSK, CTSO, металлопротеиназы MMP2, MMP14), сонаправленно изменяющие экспрессию после тренировки и у пациентов обеих групп (рис. 2).

 

Рис. 3. Изменения экспрессии генов, кодирующих мРНК (padj < 0.01) и белки (padj < 0.05) матрисома, в m. vastus lateralis после 2-месячной аэробной тренировки значительно отличаются от изменений, вызванных хроническим снижением двигательной активности у пожилых (OP vs YH) и молодых людей (YP vs YH). Количество общих и уникальных мРНК (А и В) и белков (Б) показано на пересекающихся и непересекающихся областях диаграмм. Линиями показаны потенциальные белок-белковые взаимодействия; толщина линий пропорциональна релевантности взаимодействия.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящем исследовании мы впервые оценили влияние хронического снижения двигательной активности и возраста на экспрессию мРНК и белков внеклеточного матрикса в скелетной мышце человека и сопоставили эти изменения с изменениями, вызванными 2-месячной аэробной тренировкой. Оказалось, что с возрастом (комплексное влияние старения и хронического снижения двигательной активности) в биопсических пробах m. vastus lateralis увеличивается содержание высокопредставленных белков матрисома (рис. 1, Б), что согласуется c возрастными изменениями матрисома в целой m. soleus мыши [17]. Так, в обоих исследованиях было обнаружено увеличение содержания одной из субъединиц коллагена 4 (COL4A2) и 18 (COL18A1), ламинина LAMA2, кальций-связывающих белков семейства S100 (S100A4 и S100A10) и ряда аннексинов (ANXA1, -2, -3, -4), относящихся к ВКМ-аффилированным белкам. При этом не выявлено увеличение содержания коллагена 1 и 3, составляющих половину мышечного ВКМ [2]. Эти данные согласуются с отсутствием возрастных изменений содержания коллаген-специфичной аминокислоты гидроксипролина (ВЭЖХ с флуориметрией) в m. vastus lateralis людей [13], но противоречат протеомному [11] и гистологическим исследованиям, показавшим увеличение содержания общего коллагена [12] и коллагенов 1 и 3 [7, 10]. Интересно то, что мы обнаружили возрастное увеличение экспрессии мРНК, кодирующих коллаген 1A1, 1A2, 3 и фибронектин 1 (доминирующие белки мышечного ВКМ [2]), без изменения содержания их белков (рис. 1, А и Б). Известно, что в мышцах старых крыс выраженно (в разы) падает скорость синтеза коллагенов, что ведет к преобладанию деградации коллагена над синтезом [26]; это может объяснять отсутствие корреляции между изменением содержания доминирующих белков ВКМ и их мРНК в нашем исследовании. Одновременно с этим мы обнаружили возрастное увеличение содержание коллагена 4А2 и нескольких субъединиц ламинина (LAMs) – основных гликопротеиновых компонентов базальной мембраны, что согласуется с возрастными изменениями, обнаруженными в мышцах мышей [17], крыс [27, 28] и человека [12].

Ранее мы показали, что снижение двигательной активности и сопутствующее хроническое воспаление являются ключевыми факторами возрастного изменения транскриптомного и протеомного профилей в m. vastus lateralis человека [16]. Однако изменения экспрессии высокопредставленных белков матрисома у пожилых и молодых пациентов относительно молодых здоровых людей различались (рис. 1, Б). В отличие от возрастных изменений (OP vs YH), у молодых пациентов (OP vs YH) не наблюдалось увеличение содержания коллагена 4A2, а также кальций-связывающих белков (аннексины (ANXA) 1, 2, 4, S100A10 и SPARCL1), но было увеличено содержание ингибиторов сериновых эндопептидаз (AGT, HRG, ITIH1, 2, 4, SERPINA1, A3, C1, F2) и регуляторов системы комплемента и коагуляции (F2, FGA, -B, -G, HRG, KNG1, PLG, VTN и VWF). Важно то, что у молодых пациентов (как и у пожилых пациентов) была увеличена концентрация ламинина (рис. 1, Б), что согласуется с эффектами длительной (60 сут) гипокинезии [29]. Данные о влиянии иммобилизации и длительной гипокинезии на коллаген в мышцах животных и человека достаточно противоречивы, что частично связано с методическими особенностями его измерения [14]. Отсутствие изменений концентрации основных коллагенов ВКМ (1 и 3) в нашей работе (рис. 1, Б) может быть объяснено тем, что многомесячное снижение двигательной активности у молодых пациентов, в отличие от более коротких периодов гипокинезии [29], вызывает пропорциональное снижение содержания основных мышечных коллагенов и саркомерных белков, составляющих основную часть мышцы.

Хроническое снижение двигательной активности и возрастные изменения вызывают ремоделирование ВКМ, имеющее общие и специфические черты: профили экспрессии мРНК, кодирующих ключевые регуляторы ВКМ – цитокины, факторы роста и энзиматические регуляторы ВКМ, похожи у молодых и пожилых пациентов. При этом для молодых пациентов характерно выраженное увеличение экспрессии воспалительных цитокинов (IL6, CCL4, CXCL14, CX3CL1), миостатина – негативного регулятора мышечной массы, ингибитора металлопептидаз TIMP4, ряда ингибиторов пептидаз (A2M, SERPINA1, SERPINE1 и SERPINB1), а также ферментов, участвующих в ремоделировании ВКМ (TGM2 и PLOD3).

Регулярные физические нагрузки, также как и хроническое снижение двигательной активности и возраст, являются мощным стимулом для ремоделирования ВКМ [14]. При сопоставлении полученных результатов с нашими предыдущими данными [23] было выявлено что, в отличие от снижения двигательной активности и возраста, 2-месячная аэробная тренировка на велоэргометре (без ударных нагрузок) увеличивает концентрацию доминирующих мышечных коллагенов (1A1-2, 3A1, 4A2 и 6A1-3) (рис. 3, Б) и экспрессию генов, кодирующих воспалительные цитокины (CCL18, CXCL9, IL34), а также FRZB и ростовые факторы (рис. 2), являющиеся важными регуляторами биогенеза ВКМ (HGF [30, 31], IGF1 [32] и -2 [33], MDK [34, 35], PDGFB [36] и PGF [37]). Следует отметить, что некоторые другие регуляторы ВКМ однонаправленно изменяли экспрессию при всех воздействиях, что указывает на их универсальную роль в регуляции ремоделирования ВКМ: увеличивали экспрессию ANGPT2 и INHBB – регуляторы биогенеза ВКМ в скелетной мышце [38], а также цитокины CCL2 и TNFSF10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем исследовании впервые было сопоставлено влияние хронического снижения двигательной активности у пожилых и молодых людей на экспрессию генов, кодирующих белки внутримышечного матрисома (ВКМ и ассоциированные с ним белки). Было показано, что эти воздействия вызывают специфическое увеличение экспрессии двух десятков высокопредставленных белков матрисома, не включающих доминирующие белки ВКМ (коллаген 1, 3 и др.). В литературе представлены противоречивые данные по изменению содержания этих белков при старении и гипокинезии, что говорит о необходимости более детального изучения этого вопроса. При этом изменения экспрессии мРНК, кодирующих белки матрисома, различались в меньшей степени, чем для белков, в частности для энзиматических регуляторов ВКМ и секретируемых белков, включающих ростовые факторы-потенциальные регуляторы биогенеза ВКМ.

Описанные изменения матрисома выраженно отличались от изменений, вызванных аэробной физической тренировкой у молодых людей, в частности, по экспрессии доминирующих белков ВКМ, и особенно по экспрессии мРНК энзиматических регуляторов ВКМ и секретируемых белков. Сопоставление профилей изменений экспрессии этих регуляторных генов может быть полезно для поиска фармакологических мишеней для профилактики неблагоприятных изменений/активации биогенеза ВКМ при различных патологических состояниях/физической тренировке.

Финансирование работы. Работа выполнена в рамках гранта РНФ (грант № 21-15-00405) и государственного задания МНОЦ МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва). Масс-спектрометрические измерения выполнены на оборудовании ЦКП "Протеом человека" на базе НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича (Москва).

Соблюдение этических стандартов. Все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней. Они также были одобрены Локальным этическим комитетом МНОЦ Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва), протокол № 2/20 от 16.03.2020 г.

Каждый участник исследования дал добровольное письменное информированное согласие после получения разъяснений о потенциальных рисках и преимуществах, а также о характере предстоящего исследования.

Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Вклад авторов в публикацию. А.Ю. Ефименко, Д.В. Попов – дизайн исследования, администрирование проекта. В.Г. Згода, А.Ю. Ефименко, Д.В. Попов – разработка методологии. Н.С. Курочкина, Е.М. Леднев, М.А. Орлова, М.А. Виговский, В.Г. Згода, Н.Е. Вавилов, Т.Ф. Вепхвадзе, П.А. Махновский, О.А. Григорьева, Я.Р. Бородай, В.В. Филиппов, М.Ю. Высоких, А.Ю. Ефименко, Д.В. Попов – проведение исследования, анализ. П.А. Махновский, Д.В. Попов – создание ресурсов. Е.М. Леднев, П.А. Махновский, Д.В. Попов – работа с данными. Н.С. Курочкина, Е.М. Леднев, Д.В. Попов – подготовка рукописи.

×

About the authors

N. S. Kurochkina

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Author for correspondence.
Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

E. M. Lednev

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

M. A. Orlova

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

M. A. Vigovskiy

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

V. G. Zgoda

Institute of Biomedical Chemistry

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

N. E. Vavilov

Institute of Biomedical Chemistry

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

T. F. Vepkhvadze

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

P. A. Makhnovskii

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

O. A. Grigorieva

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

Y. R. Boroday

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

V. V. Philippov

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

M. Yu. Vyssokikh

Institute of Biomedical Problems of the RAS; Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology

Russian Federation, Moscow; Moscow

A. Yu. Efimenko

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

D. V. Popov

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Kjaer M. Role of extracellular matrix in adaptation of tendon and skeletal muscle to mechanical loading // Physiol. Rev. 2004. V. 84. № 2. P. 649.
  2. McKee T.J., Perlman G., Morris M.,Komarova S.V. Extracellular matrix composition of connective tissues: a systematic review and meta-analysis // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 10542
  3. Campisi J., Kapahi P., Lithgow G.J. et al. From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing // Nature. 2019. V. 571. № 7764. P. 183.
  4. Lopez-Otin C., Blasco M.A., Partridge L. et al. Hallmarks of aging: An expanding universe // Cell. 2023. V. 186. № 2. P. 243.
  5. Furrer R., Handschin C. Drugs, clocks and exercise in ageing: hype and hope, fact and fiction // J. Physiol. 2023. V. 601. № 11. P. 2057.
  6. Marcucci L., Reggiani C. Increase of resting muscle stiffness, a less considered component of age-related skeletal muscle impairment // Eur. J. Transl. Myol. 2020. V. 30. № 2. P. 8982.
  7. Pavan P., Monti E., Bondi M. et al. Alterations of extracellular matrix mechanical properties contribute to age-related functional impairment of human skeletal muscles // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 11. P. 3992.
  8. Wood L.K., Kayupov E., Gumucio J.P. et al. Intrinsic stiffness of extracellular matrix increases with age in skeletal muscles of mice // J. Appl. Physiol. 2014. V. 117. № 4. P. 363.
  9. Olson L.C., Redden J.T., Schwartz Z. et al. Advanced glycation end-products in skeletal muscle aging // Bioengineering (Basel). 2021. V. 8. № 11. P. 168.
  10. Fede C., Fan C., Pirri C. et al. The Effects of Aging on the Intramuscular Connective Tissue // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 19. P. 11061.
  11. Ubaida-Mohien C., Lyashkov A., Gonzalez-Freire M. et al. Discovery proteomics in aging human skeletal muscle finds change in spliceosome, immunity, proteostasis and mitochondria // Elife. 2019. V. 8. P. e49874.
  12. Nederveen J.P., Joanisse S., Thomas A.C.Q. et al. Age-related changes to the satellite cell niche are associated with reduced activation following exercise // FASEB. J. 2020. V. 34. № 7. P. 8975.
  13. Haus J.M., Carrithers J.A., Trappe S.W., Trappe T.A. Collagen, cross-linking, and advanced glycation end products in aging human skeletal muscle // J. Appl. Physiol. (1985). 2007. V. 103. № 6. P. 2068.
  14. Mavropalias G., Boppart M., Usher K.M. et al. Exercise builds the scaffold of life: muscle extracellular matrix biomarker responses to physical activity, inactivity, and aging // Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 2023. V. 98. № 2. P. 481.
  15. Murgia M., Toniolo L., Nagaraj N. et al. Single muscle fiber proteomics reveals fiber-type-specific features of human muscle aging // Cell. Rep. 2017. V. 19. № 11. P. 2396.
  16. Kurochkina N.S., Orlova M.A., Vigovskiy M.A. et al. Age-related changes in human skeletal muscle transcriptome and proteome are more affected by chronic inflammation and physical inactivity than primary aging // Aging. Cell. 2024. № 4. P. e14098.
  17. Lofaro F.D., Cisterna B., Lacavalla M.A. et al. Age-related changes in the matrisome of the mouse skeletal muscle // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 19. P. 10564.
  18. Suetta C., Aagaard P., Magnusson S.P. et al. Muscle size, neuromuscular activation, and rapid force characteristics in elderly men and women: effects of unilateral long-term disuse due to hip-osteoarthritis // J. Appl. Physiol. 2007. V. 102. № 3. P. 942.
  19. Callahan D.M., Miller M.S., Sweeny A.P. et al. Muscle disuse alters skeletal muscle contractile function at the molecular and cellular levels in older adult humans in a sex-specific manner // J. Physiol. 2014. V. 592. № 20. P. 4555.
  20. Callahan D.M., Tourville T.W., Miller M.S. et al. Chronic disuse and skeletal muscle structure in older adults: sex-specific differences and relationships to contractile function // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 2015. V. 308. № 11. P. 932.
  21. Miller M.S., Callahan D.M., Tourville T.W. et al. Moderate-intensity resistance exercise alters skeletal muscle molecular and cellular structure and function in inactive older adults with knee osteoarthritis // J. Appl. Physiol. 2017. V. 122. № 4. P. 775.
  22. Shao X., Taha I.N., Clauser K.R. et al. MatrisomeDB: the ECM-protein knowledge database // Nucleic. Acids. Res. 2020. V. 48. № D1. P. D1136.
  23. Lednev E.M., Lysenko E.A., Zgoda V.G. et al. Eight-week aerobic training activates extracellular matrix biogenesis in human skeletal muscle // Human Physiology. 2023. V. 49. № 2. P. 129.
  24. Ware J., Jr., Kosinski M., Keller S.D. A 12-Item Short-Form Health Survey: construction of scales and preliminary tests of reliability and validity // Med. Care. 1996. V. 34. № 3. P. 220.
  25. Popov D.V., Vinogradova O.L., Zgoda V.G. Preparation of human skeletal muscle samples for proteomic analysis with isobaric iTRAQ labels // Mol. Biol. 2019. V. 53. № 4. P. 606.
  26. Mays P.K., McAnulty R.J., Campa J.S., Laurent G.J. Age-related changes in collagen synthesis and degradation in rat tissues. Importance of degradation of newly synthesized collagen in regulating collagen production // Biochem. J. 1991. V. 276. № 2. P. 307.
  27. Kanazawa Y., Ikegami K., Sujino M. et al. Effects of aging on basement membrane of the soleus muscle during recovery following disuse atrophy in rats // Exp. Gerontol. 2017. V. 98. P. 153.
  28. Kovanen V., Suominen H., Risteli J., Risteli L. Type IV collagen and laminin in slow and fast skeletal muscle in rats--effects of age and life-time endurance training // Coll. Relat. Res. 1988. V. 8. № 2. P. 145.
  29. Thot G.K., Berwanger C., Mulder E. et al. Effects of long-term immobilisation on endomysium of the soleus muscle in humans // Exp. Physiol. 2021. V. 106. № 10. P. 2038.
  30. Gonzalez M.N., de Mello W., Butler-Browne G.S. et al. HGF potentiates extracellular matrix-driven migration of human myoblasts: involvement of matrix metalloproteinases and MAPK/ERK pathway // Skelet. Muscle. 2017. V. 7. № 1. P. 20.
  31. Karalaki M., Fili S., Philippou A., Koutsilieris M. Muscle regeneration: cellular and molecular events // In Vivo. 2009. V. 23. № 5. P. 779.
  32. Heinemeier K.M., Mackey A.L., Doessing S. et al. GH/IGF-I axis and matrix adaptation of the musculotendinous tissue to exercise in humans // Scand. J. Med. Sci. Sports. 2012. V. 22. № 4. P. e1.
  33. Torrente Y., Bella P., Tripodi L. et al. Role of insulin-like growth factor receptor 2 across muscle homeostasis: Implications for treating muscular dystrophy // Cells. 2020. V. 9. № 2. P. 441.
  34. Ikutomo M., Sakakima H., Matsuda F., Yoshida Y. Midkine-deficient mice delayed degeneration and regeneration after skeletal muscle injury // Acta. Histochem. 2014. V. 116. № 2. P. 319.
  35. Jones J.C., Kroscher K.A., Dilger A.C. Reductions in expression of growth regulating genes in skeletal muscle with age in wild type and myostatin null mice // BMC. Physiol. 2014. V. 14. P. 3.
  36. Duffy F.J., Jr., Seiler J.G., Gelberman R.H., Hergrueter C.A. Growth factors and canine flexor tendon healing: initial studies in uninjured and repair models // J. Hand. Surg. Am. 1995. V. 20. № 4. P. 645.
  37. Chen C.P., Yang Y.C., Su T.H. et al. Hypoxia and transforming growth factor-beta 1 act independently to increase extracellular matrix production by placental fibroblasts // J. Clin. Endocrinol. Metab. 2005. V. 90. № 2. P. 1083.
  38. Arai K.Y., Nishiyama T. Developmental changes in extracellular matrix messenger RNAs in the mouse placenta during the second half of pregnancy: possible factors involved in the regulation of placental extracellular matrix expression // Biol. Reprod. 2007. V. 77. № 6. P. 923.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Chronic physical inactivity in older (OP vs YH) and younger adults (YP vs YH) results in partially overlapping changes in mRNA (padj < 0.01) and protein (padj < 0.05) expression of the matrisome in the vastus lateralis muscle. The amounts of common and unique mRNAs (A and B) and proteins (B) are shown in the overlapping and non-overlapping areas of the diagrams. Potential protein-protein interactions are shown as lines; line thickness is proportional to the relevance of the interaction.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Changes in the mRNA expression profile of secreted factors (A) and enzymatic regulators of the ECM (B) in the vastus lateralis muscle during chronic physical inactivity in older (OP vs YH) and younger adults (YP vs YH) and after 2 months of aerobic training. Only significant changes (padj < 0.01) are presented as log2.

Download (590KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Changes in expression of genes encoding mRNA (padj < 0.01) and proteins (padj < 0.05) of the matrisome in m. vastus lateralis after 2 months of aerobic training are significantly different from changes induced by chronic physical inactivity in elderly (OP vs YH) and young adults (YP vs YH). The number of common and unique mRNAs (A and B) and proteins (B) is shown in overlapping and non-overlapping areas of the diagrams. Potential protein-protein interactions are shown as lines; line thickness is proportional to the relevance of the interaction.

Download (1023KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».