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I muscoli, le vertebre, le coste, i tendini, i vasi originano da progenitori presenti nel mesoderma parassiale Il mesoderma si forma per lazione di fattori.

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1 I muscoli, le vertebre, le coste, i tendini, i vasi originano da progenitori presenti nel mesoderma parassiale Il mesoderma si forma per lazione di fattori sia solubili (es. FGF) che trascrizionali (es Wnt e T-box) che sono spazio- specifici FORMAZIONE DEL TESSUTO MUSCOLARE Il mesoderma assume unorganizzazione segmentale: i somiti

2 Da ciascun somite originano specifici muscoli

3 La formazione delle bozze muscolari richiede migrazione delle cellule staminali La migrazione è controllata da fattori trascrizionali (Pax 3) e segnali extracellulari Ruolo fondamentale di SF-HGF (scatter factor-hepatocyte growth factor) la cui espressione è sotto controllo di FGF e Shh Il recettore di HGF (c-met) è sotto controllo trascrizionale di Pax3

4 Le cellule mesodermiche sono pluripotenti destinate a cell fate specification Concetto di Cell Fate Specification: formazione di linee cellulari da progenitori pluripotenti che progressivamente perdono la pluripotenzialità e acquisiscono proprietà di lineage definitive Fattori induttivi locali, diversi in varie porzioni del corpo, determinano cell fate specification Muscle Regulatory Factors Gli MRF sono fattori trascrizionali MyoD: Una volta attivo rimane autoregolato (permanente) Myf5: precoce e transitorio (regolazione diversa in varie parti, vedi figura) Myogenin: tardivo, importante durante il differenziamento MRF4: tardivo, importante durante il differenziamento

5 Controllo della proliferazione dei mioblasti I mioblasti sono progenitori proliferanti differenziati che esprimono Myf5 e MyoD Fattori che controllano la proliferazione dei mioblasti: mitogeni, FGF, TGFb, IGF, integrine I mioblasti vengono sottratti al ciclo cellulare per attivazione di myogenin, MRF4, MEF2 Controllo del differenziamento Il differenziamento implica il controllo trascrizionale di geni per proteine muscolo- specifiche Fattori trascrizionali che regolano il differenziamento: Myogenin MRF4 Mef2 I fattori trascrizionali di differenziamento si legano a promotori altamente conservati tra specie e geni. In una prima fase il differenziamento è reversibile Il differenziamento diventa irreversibile quando i mioblasti si fondono con i miotubi

6 Induzione di competenze e specificità muscolari

7 Cellule muscolari in coltura: la colorazione marrone indica lespressione di una proteina presente solo nei miotubi differenziati Notare la presenza di numerosi nuclei nei miotubi Le cellule miogeniche non differenziate non sono colorate e si intravedono come ombre grigie

8 Progressione nella maturazione del tessuto muscolare Mioblsti miotubi fibre muscolari Cellule muscolari in coltura. Per avviare il filmato fare doppio click su ciascuna immagine A dx immagine in contrasto di fase; si vedono le contrazioni A sin: variazioni della concentrazione dello ione calcio allinterno di cellule in contrazione. La variazione è indicata dal passaggio dal colore blu a quello giallo Le due immagini sono delle stesse cellule ma le riprese sono in momenti diversi; alcune delle celule che si contraggono nellimmagine di sinistra, non lo fanno nellimmagine di destra e viceversa.

9 FATTORI DI CRESCITA E CELLULE SATELLITI

10 Fibra muscolare isolata in celeste si vedono i nuclei che appartengono alla fibra muscolare ad eccezione di uno che in B è colorato in rosso e che appartiene ad una cellula satellite Nel muscolo adulto esiste una quota di cellule capaci di proliferare e di differenziarsi

11 Controllo della proliferazione delle cellule satelliti Il passaggio dalla fase quiescente alla proliferativa richiede fattori di competenza e di progressione Riposo o Go ingresso in G1 progressione a mitosi Fattore di competenza Fattore di progressione Fattori di competenza: FGF legato a proteoglicani della lamina basale, rilasciato dopo lesioni Lespressione aumenta dopo lesione, in ipertrofia Agisce su cellule satelliti, ma anche su innervazione, vascolarizzazione, fibroplasia Fattori di progressione IGF Due isoforme, dette IGF-I e IGF-II IGF-I è il mediatore degli effetti di GH; IGF-II induce proliferazione cellule miogeniche durante lo sviluppo E trasportato via sangue dove è legato a proteine di trasporto; Desametazone (Cortisonico) potenzia le risposte da IGF Da solo induce differenziamento In combinazione con FGF induce proliferazione

12 Fattori di controllo negativo della proliferazione delle cellule satelliti TGF-b (transforming growth factor): inibisce la fusione in miotubi Miostatina: membro di famiglia TGF; attiva sistema di proteolisi intracellulare anticorpi inducono ipertorfia muscolare la produzione di miostatina e/o suo recettore è controllata è un dei fattori che contribuisce allatrofia da disuso Fattori da contatto (presente sulla membrana delle cellule muscolari) TNF-a (tumor necrosis factor): citochina coinvolta in atrofia da sepsi o tumore non sembra essere coinvolta nellatrofia da disuso Atrofia da disuso Connessa ad attivazione di NF-kB (sistema di regolazione trascrizionale inizialmente scoperto nei linfociti B, ma poi identificato in diversi tessuti; consente la conversione di segnali extracellulari in eventi di regolazione dellespressione genica) LATROFIA E UNO SPECIFICO PROGRAMMA CELLULARE CHE RICHIEDE ENERGIA ED ESPRESSIONE GENICA CONTROLLATA (per maggiori e interessanti informazioni sui vari meccanismi di regolazione dellatrofia, vedere il file pdf allegato in rete: 05 Meccanismi atrofia muscolare review)

13 Myostatin Research Introduction Myostatin was first described by McPherron et al in It is a gene which is a member of the Transforming Growth Factor- (TGF- ) Superfamily. These genes encode secreted factors that are important for regulating embryonic development and tissue homeostasis in adults. Myostatin-null mice show a dramatic and widespread increase in skeletal muscle mass due to an increase in number of muscle fibres ( hyperplasia) and thickness of fibres (hypertrophy). Where and When is it expressed? During early embryogenesis myostatin is particularly important in the myotome compartment of developing somites. However myostatin also plays an important role in fully developed skeletal muscle. Myostatin controls not only fibre size but also fibre number. Muscle which is mechanically hypertrophied shows an increase in myostatin (Sakuma et al 2000). Conversely in regenerating muscle myostatin levels are reduced (Yamanouchi et al 2000). How does it work? In many mammalian cells cell cycle progression is inhibited by members of the TGF- superfamily. This is done by arresting the cells in the G- 1 phase of the cell cycle. This is mediated through the many elements of the complex cell cycle machinery. Cyclin-dependent kinases (Cdks) regulate 'G1' transitions to 'S' through phosphorylation and inactivation of the retinoblastoma (Rb) protein. However p21 (which is a cyclin inhibitor) suppresses the kinase activities of the Cdk2. Myostatin works by increasing the p21 activity and thus decreasing the Cdk2 levels. This results in suppression of the Rb protein phosphorylation and concurrent cell cycle arrest of myoblasts in the G1 phase. As the diagram shows the fibre number is then regulated. Myostatin Mutations: Mutations in the myostatin gene has been shown to cause double muscling in cattle (Kambadur et al 1997). Mutations in Belgian blue and Piedmontese cattle occur in the 3 rd exon of the myostatin gene. Ferrell et al 1999 showed that mutations can occur in exon 1 in the human genotype. Interestingly two of these mutations are polymorphic in the general population. Bibliografia McPherron, A.C, Lawler, A. M, Lee, S. J (1987). Regulation of skeletal muscle mass in mice by a new TGF-b superfamily member. Nature McPherron, A. C., and Lee, S. J. (1997). Double muscling in cattle due to mutations in the myostatin gene. Proc. Natl. Acad, Sci. USA Thomas, M., Langley, B., Berry, C., Sharma, M., Kirk, S., Bass, J., and Kambadur, R. 2000). Myostatin, a negative regulator of muscle growth, functions by inhibiting myoblast proliferation. J. Biol. Chem. 275(51):

14 RIGENERAZIONE MUSCOLARE La rigenerazione delle fibre muscolari è legata allattività di cellule satelliti e delle porzioni sopravvissute della fibra muscolare La risposta rigenerativa dipende dal tipo di lesione Focale (ago o sovraccarico): muoiono poche fibre, la proliferazione è focale Estesa: proliferazione e migrazione delle cellule satelliti anche nelle parti sane della fibra Prime manifestazioni cellulari della necrosi muscolare Ipercontrazione: strappo della membrana, ingresso Calcio, segmenti ipercontratti, densi Attivazione proteolisi intracellulare: in 24h la parte lesionata scompare e lascia tubo vuoto di endomisio con aggregati proteici invasione macrofagica Linizio della proliferazione e dellinvasione macrofagica dipendono da integrità vasale (non ci sono nel muscolo macrofagi residenti) Linvasione macrofagica e la rimozione dei residui sono necessari per la rigenerazione delle fibre muscolari, per la rivascolarizzazione, per la proliferazione delle cellule satelliti

15 Le cellule satelliti invadono la cellula muscolare morta e si accumulano nel tubo endomisiale sia negli aggregati proteici che negli spazi vuoti La rigenerazione delle fibre muscolari è legata allattività di cellule satelliti e delle porzioni sopravvissute della fibra muscolare

16 La rimozione dei residui necrotici facilita la rigenerazione La lamina basale forma intorno alla fibra muscolare un tubo (endomisio) Ruolo in rigenerazione dellendomisio Intrappola le cellule satelliti Consente lorientamento spaziale dei miotubi rigeneranti Promuove la crescita e il differenziamento delle cellule satelliti Guida la reinnervazione Le cellule satelliti iniziano a proliferare 30h dopo il crush Ruolo di proteoglicani in lamina: immobilizzano FGF, PDGF e altri fattori che sono poi liberati dopo morte cellulare Fattori neurogeni Durante lo sviluppo la crescita delle fibre mediata da fusione di cellule satelliti richiede linnervazione Denervazione perinatale comporta la riduzione della popolazione di cellule satelliti Nelladulto: la denervazione provoca proliferazione delle cellule satelliti con picco a 4 giorni e che persiste per settimane Attività muscolare e cellule satelliti Nel muscolo non allenato Sessione di corsa: raddoppio delle cellule satelliti Sessione prolungata su treadmill: triplicano Muscle overwork: necrosi e rigenerazione: proliferazione fusione iperplasia


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