время чтения: 5 минут
712 просмотров
8 июля 2019

Раскрыт секрет «мышечной памяти»!

Раскрыт секрет «мышечной памяти»!

Перевод - Струков С.

Тренированные люди при возобновлении занятий быстрее увеличивают силу (1,2), этот широко известный феномен называется «мышечная память». Механизмы памяти мышечных клеток не изучены, и до сегодняшнего дня долговременный эффект предыдущих тренировок объясняли моторной памятью центральной нервной системы (3). Тем не менее, было показано, что мышцы способны сохранять гипертрофию после нескольких месяцев детренировки (1, 4- 8). В одном исследовании у пожилых людей, занимавшихся силовой тренировкой, сила оставалась на 9 – 14% выше даже после 2 лет детренировки (7). За 30-32 недели детренировки группа женщин утратила значительную часть силы, приобретённую в итоге 20 недель тренировок, но восстановила результаты всего за 6 недель «ретренировки» (1). Этот факт свидетельствует о пользе локализации механизма памяти в мышцах. Вызванная тренировкой гипертрофия остаётся в виде изменения архитектуры клетки даже после последующего продолжительного неиспользования.

Уже более ста лет известно, что ядра могут обеспечивать только определённый объём цитоплазмы (9 - 19). Мышечное волокно является одним из немногочисленных видов многоядерных клеток и может в пять раз превышать по размеру одноядерную клетку (18). Раньше считали, что в случае увеличения в размере мышечного волокна, ядра добавляются за счёт митоза и последующего слияния стволовых мышечных клеток, а при атрофии некоторые «избыточные» ядра удаляются путём селективного апоптоза (20, 21). Такой механизм служит для поддержания постоянного размера цитоплазматического ядерного домена.

Недавно разработанная техника замедленной съёмки in vivo позволила внести ясность в эту простую модель, показав, что во время атрофии сохраняется нормальный уровень миоядер (22). Тем не менее, эта ситуация может отличаться при гипертрофии мышц, потому что в мышечной ткани происходит митоз во время увеличения мышечной массы, частично подверженный апоптозу при последующем неиспользовании (23). Согласно последним данным, образованные в результате «перегрузки» новые ядра остаются, по крайней мере, спустя 3 месяца денервации. Эти изменения позволяют сделать предположения относительно «памяти» мышечных клеток.

Обсуждение результатов

Нами показано, что добавление новых ядер предшествует увеличению размеров волокна при гипертрофии вследствие перегрузки, и таким образом, связано с более высокой способностью к синтезу белка при большем количестве ядер. Увеличенное количество ядер остаётся вне зависимости от поддержания гипертрофии, потому что их число поддерживается, несмотря на существенную атрофию вследствие трёх месячной денервации.

Рис. Модель, показывающая связь между размером мышц и количеством ядер. Здесь количество ядер постоянное. Прежде нетренированные мышцы добавляют новые ядра путём слияния с сателлитными клетками, что предшествует гипертрофии. При детренировке атрофия происходит без утраты ядер. Повышенное количество ядер в мышечных волокнах, которые подвергались гипертрофии, представляют основу «мышечной памяти», объясняя долговременное влияние тренировки и облегчая достижение тренированности при возобновлении занятий.

Наши данные противоречат простой парадигме о существовании неизменного миоядерного домена, в котором ядра, добавленные в период гипертрофии, утрачиваются во время атрофии. Таким образом, предложена другая модель (см. рис), согласно которой нетренированные волокна добавляют новые ядра как «первый источник тренированности». Эти добавленные ядра связаны с последующим увеличением волокон, например, ограниченная синтетическая способность каждого ядра может лимитировать поддержание большего объёма без увеличения числа ядер. При последующей детренировке поддерживается увеличенное количество ядер, что может противодействовать атрофии при возобновлении тренировок, увеличение размеров волокон способно происходить при умеренном увеличении белкового синтеза каждого из этих множества ядер, «пропуская» этап образования новых ядер. Последнее может обуславливать относительное укорочение пути при ретренировке по сравнению с людьми, прежде не тренировавшимися.

Идея об устойчивом увеличении ядер после силовой тренировки может служить поводом для рекомендаций к выполнению силовых упражнений на протяжении жизни. Мышечная слабость в пожилом возрасте является главной проблемой здоровья (27, 28), и гипертрофия, вызванная перегрузкой, существенно ослаблена у старых животных (29, 30). Количество ядер может выступать лимитирующим фактором (31). Показано, что активация сателлитных клеток подавляется в старости, что предположительно связано с межклеточной Notch сигнализацией (32,33). Наши наблюдения свидетельствуют о пользе «накачки» мышечных волокон ядрами с помощью упражнений перед физиологическим старением. Анаболические стероиды увеличивают количество ядер (34, 35), таким образом, преимущества от использования стероидов перманентное, и это должно отражаться на времени дисквалификации после допингового преступления.

Наиболее вероятным источником дополнительных ядер в период начала тренировок являются сателлитные клетки (36 - 38). Наш метод позволил провести детальный временной анализ и продемонстрировать наиболее интенсивное добавление ядер на 6 – 9 день после перегрузки. Это соответствует предыдущим наблюдениям, где стимул к гипертрофии вызывал митоз сателлитных клеток перед этим периодом (39 - 41). Увеличение общего синтеза белка (так же, как и деградации) отмечается в пределах нескольких часов после гипертрофического стимула (42 - 45), включая и нашу модель гипертрофии (46, 47). Это ведёт к предположению, что повышение удельной синтетической способности предшествует добавлению ядер, и увеличение количества ядер необязательно при гипертрофии. В нашем эксперименте размер ядерного домена уменьшался во время фазы роста и оставался пониженным, по крайней мере, 12 дней, показывая, что даже если синтез белка в каждом ядре увеличен в ранней стадии гипертрофии, этот механизм не является основным для увеличения размеров клетки. Наши данные свидетельствуют, что увеличение количества ядер – главная причина гипертрофии. Это, тем не менее, не исключает некоторую гипертрофию, которая может происходить без добавления ядер, например, в экспериментальных условиях, обсуждаемых ранее (48 - 59), в которых сателлитные клетки удалены.

Always et al (23) провели эксперимент, подобный нашему, в котором изучали влияние разгрузки предварительно перегруженных клеток мышц перепелов. Комбинируя окрашивания BrdU и TUNEL, они показали, что ядра в мышечной ткани, подвергшиеся митозу во время гипертрофии, отчасти склонны к апоптозу, и, основываясь на этом наблюдении, заключили, что популяция ядер при гипертрофии непостоянна и менее стабильна. Этот вывод противоречит нашим наблюдениям, но в большинстве их экспериментов не различали ядра миоцитов и других клеток мышечной ткани. Был показан только один пример апоптозных ядер внутри кортикального дистрофинового слоя, о частоте апоптозов обнаруженных миоядер не сообщалось.

В дополнение к представленному эксперименту с детренировкой, несколько исследований атрофии не обнаружили утрату ядер или миоядерного апоптоза (22, 60, 61). Учитывая методологические ограничения результатов, полученных при традиционной гистологии (61), на сегодняшний день нет достаточных доказательств, что ядра могут утрачиваться в интактных мышечных волокнах.

Источник: https://www.pnas.org/

Источники:
1.

Staron RS, et al. (1991) Strength and skeletal muscle adaptations in heavy-resistance- trained women after detraining and retraining. J Appl Physiol 70:631–640.

2.

Taaffe DR, Marcus R (1997) Dynamic muscle strength alterations to detraining and retraining in elderly men. Clin Physiol 17:311–324.

3.

Rutherford OM, Jones DA (1986) The role of learning and coordination in strength training. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 55:100–105.

4.

MacDougall JD, Elder GC, Sale DG, Moroz JR, Sutton JR (1980) Effects of strength training and immobilization on human muscle fibres. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 43:25–34.

5.

Houston ME, Froese EA, Valeriote SP, Green HJ, Ranney DA (1983) Muscle per- formance, morphology and metabolic capacity during strength training and detraining: A one leg model. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 51:25–35.

6.

Ivey FM, et al. (2000) Effects of strength training and detraining on muscle quality: Age and gender comparisons. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 55:B152–B157; discussion B158–B159.

7.

Smith K, Winegard K, Hicks AL, McCartney N (2003) Two years of resistance training in older men and women: The effects of three years of detraining on the retention of dynamic strength. Can J Appl Physiol 28:462–474.

8.

Harris C, DeBeliso M, Adams KJ, Irmischer BS, Spitzer Gibson TA (2007) Detraining in the older adult: Effects of prior training intensity on strength retention. J Strength Cond Res 21:813–818.

9.

Strassburger E (1893) Ûber die Wirkungssphäre der kerne und die zellgrösse. Histologische Beiträge 5:97–124.

10.

Cavalier-Smith T (1978) Nuclear volume control by nucleoskeletal DNA, selection for cell volume and cell growth rate, and the solution of the DNA C-value paradox. J Cell Sci 34:247–278.

11.

Cavalier-Smith T (1980) How selfish is DNA? Nature 285:617–618.

12.

Merlie JP, Sanes JR (1985) Concentration of acetylcholine receptor mRNA in synaptic regions of adult muscle fibres. Nature 317:66–68.

13.

Hall ZW, Ralston E (1989) Nuclear domains in muscle cells. Cell 59:771–772.

14.

Sanes JR, et al. (1991) Selective expression of an acetylcholine receptor-lacZ transgene in synaptic nuclei of adult muscle fibres. Development 113:1181–1191.

15.

Ralston E, Hall ZW (1992) Restricted distribution of mRNA produced from a single nucleus in hybrid myotubes. J Cell Biol 119:1063–1068.

16.

Gundersen K, Sanes JR, Merlie JP (1993) Neural regulation of muscle acetylcholine receptor epsilon- and alpha-subunit gene promoters in transgenic mice. J Cell Biol 123:1535–1544.

17.

Gregory TR (2001) Coincidence, coevolution, or causation? DNA content, cell size, and the C-value enigma. Biol Rev Camb Philos Soc 76:65–101.

18.

Bruusgaard JC, Liestøl K, Ekmark M, Kollstad K, Gundersen K (2003) Number and spatial distribution of nuclei in the muscle fibres of normal mice studied in vivo. J Physiol 551:467–478.

19.

Bruusgaard JC, Liestøl K, Gundersen K (2006) Distribution of myonuclei and microtubules in live muscle fibers of young, middle-aged, and old mice. J Appl Physiol 100:2024–2030.

20.

Alway SE, Siu PM (2008) Nuclear apoptosis contributes to sarcopenia. Exerc Sport SciRev 36:51–57.

21.

Siu PM, Alway SE (2009) Response and adaptation of skeletal muscle to denervation stress: The role of apoptosis in muscle loss. Front Biosci 14:432–452.

22.

Bruusgaard JC, Gundersen K (2008) In vivo time-lapse microscopy reveals no loss of murine myonuclei during weeks of muscle atrophy. J Clin Invest 118:1450–1457.

23.

Siu PM, Pistilli EE, Butler DC, Alway SE (2005) Aging influences cellular and molecular responses of apoptosis to skeletal muscle unloading. Am J Physiol Cell Physiol 288: C338–C349.

24.

Saraste A, Pulkki K (2000) Morphologic and biochemical hallmarks of apoptosis. Cardiovasc Res 45:528–537.

25.

Rosenblatt JD, Parry DJ (1992) Gamma irradiation prevents compensatory hyper- trophy of overloaded mouse extensor digitorum longus muscle. J Appl Physiol 73: 2538–2543.

26.

Seiden D (1976) Quantitative analysis of muscle cell changes in compensatory hypertrophy and work-induced hypertrophy. Am J Anat 145:459–465.

27.

Hughes SM, Schiaffino S (1999) Control of muscle fibre size: A crucial factor in ageing. Acta Physiol Scand 167:307–312.

28.

Dutta C, Hadley EC (1995) The significance of sarcopenia in old age. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 50 (Spec No):1–4.

29.

Carson JA, Yamaguchi M, Alway SE (1995) Hypertrophy and proliferation of skeletal muscle fibers from aged quail. J Appl Physiol 78:293–299.

30.

Alway SE, Degens H, Krishnamurthy G, Smith CA (2002) Potential role for Id myogenic repressors in apoptosis and attenuation of hypertrophy in muscles of aged rats. Am J Physiol Cell Physiol 283:C66–C76.

31.

Schultz E, Lipton BH (1982) Skeletal muscle satellite cells: Changes in proliferation potential as a function of age. Mech Ageing Dev 20:377–383.

32.

Conboy IM, Conboy MJ, Smythe GM, Rando TA (2003) Notch-mediated restoration of regenerative potential to aged muscle. Science 302:1575–1577.

33.

Conboy IM, Rando TA (2005) Aging, stem cells and tissue regeneration: Lessons from muscle. Cell Cycle 4:407–410.

34.

Kadi F, Eriksson A, Holmner S, Thornell LE (1999) Effects of anabolic steroids on the muscle cells of strength-trained athletes. Med Sci Sports Exerc 31:1528–1534.

35.

Sinha-Hikim I, et al. (2002) Testosterone-induced increase in muscle size in healthy young men is associated with muscle fiber hypertrophy. Am J Physiol Endocrinol Metab 283:E154–E164.

36.

Moss FP, Leblond CP (1970) Nature of dividing nuclei in skeletal muscle of growing rats. J Cell Biol 44:459–462.

37.

Lipton BH, Schultz E (1979) Developmental fate of skeletal muscle satellite cells. Science 205:1292–1294.

38.

Schiaffino S, Bormioli SP, Aloisi M (1976) The fate of newly formed satellite cells during compensatory muscle hypertrophy. Virchows Arch B Cell Pathol Incl Mol Pathol 21:113–118.

39.

Schiaffino S, Bormioli SP, Aloisi M (1972) Cell proliferation in rat skeletal muscle during early stages of compensatory hypertrophy. Virchows Arch B Cell Pathol Incl Mol Pathol 11:268–273.

40.

Winchester PK, Davis ME, Alway SE, Gonyea WJ (1991) Satellite cell activation in the stretch-enlarged anterior latissimus dorsi muscle of the adult quail. Am J Physiol 260: C206–C212.

41.

Snow MH (1990) Satellite cell response in rat soleus muscle undergoing hypertrophy due to surgical ablation of synergists. Anat Rec 227:437–446.

42.

Smith RH, Palmer RM, Reeds PJ (1983) Protein synthesis in isolated rabbit forelimb muscles. The possible role of metabolites of arachidonic acid in the response to intermittent stretching. Biochem J 214:153–161.

43.

MacDougall JD, et al. (1995) The time course for elevated muscle protein synthesis following heavy resistance exercise. Can J Appl Physiol 20:480–486.

44.

Goldspink DF, et al. (1995) Muscle growth in response to mechanical stimuli. Am J Physiol 268:E288–E297.

45.

Chen YW, et al. (2002) Response of rat muscle to acute resistance exercise defined by transcriptional and translational profiling. J Physiol 545:27–41.

46.

Laurent GJ, Sparrow MP, Millward DJ (1978) Turnover of muscle protein in the fowl. Changes in rates of protein synthesis and breakdown during hypertrophy of the anterior and posterior latissimus dorsi muscles. Biochem J 176:407–417.

47.

Goldspink DF, Garlick PJ, McNurlan MA (1983) Protein turnover measured in vivo and in vitro in muscles undergoing compensatory growth and subsequent denervation atrophy. Biochem J 210:89–98.

48.

O’Connor RS, Pavlath GK (2007) Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1099–1100.

49.

McCarthy JJ, Esser KA (2007) Counterpoint: Satellite cell addition is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1100–1102; discussion 1102–1103.

50.

O’Connor RS, Pavlath GK (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1102.

51.

McCarthy JJ, Esser KA (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol 103:1103.

52.

Mantilla CB, Sieck GC (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1104 (lett).

53.

Rehfeldt C (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1104 (lett).

54.

Hikida RS (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1104–1105 (lett).

55.

Booth FW (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1105 (lett).

56.

Kadi F (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1105 (lett).

57.

Bodine SC (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1105–1106 (lett).

58.

Lowe DA (2007) In response to Point:Counterpoint: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1106 (lett).

59.

O’Connor RS, Pavlath GK, McCarthy JJ, Esser KA (2007) Last Word on Point:Counter- point: Satellite cell addition is/is not obligatory for skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol, 103:1107 (lett).

60.

Wada KI, Takahashi H, Katsuta S, Soya H (2002) No decrease in myonuclear number after long-term denervation in mature mice. Am J Physiol Cell Physiol 283:C484– C488.

61.

Gundersen K, Bruusgaard JC (2008) Nuclear domains during muscle atrophy: Nuclei lost or paradigm lost? J Physiol 586:2675–2681.

62.

Lichtman JW, Magrassi L, Purves D (1987) Visualization of neuromuscular junctions over periods of several months in living mice. J Neurosci 7:1215–1222.

63.

Utvik JK, Njå A, Gundersen K (1999) DNA injection into single cells of intact mice. Hum Gene Ther 10:291–300.

64.

Wada KI, Katsuta S, Soya H (2003) Natural occurrence of myofiber cytoplasmic enlargement accompanied by decrease in myonuclear number. Jpn J Physiol 53:145–150.

Показать еще
связаться с редакцией
У вас есть пожелания и вопросы по блогу, напишите их нам, мы постараемся учесть.
стать автором
Вам интересна тема, умеете работать с текстом — у нас есть для вас предложение.
предложить тему
Поделитесь с нами, о чем бы вы хотели почитать в нашем блоге.
Спасибо за подписку!
Мы рады, что вы с нами
Подпишитесь на новости!
Отправляя форму, я даю согласие на обработку персональных данных