Гипертрофия мышц - роль GH, IGF-I

В серии ранних классических экспериментов с крысами Артур Голдберг продемонстрировал, что GH не является гормоном, необходимым для гипертрофии мышц (Goldberg, 1967). Четверть века спустя, наличие гипертрофии у крыс с удаленным гипофизом была продемонстрирована путем прямой активации IGF-I в мышцах, подвергающихся дополнительной нагрузке (см. рисунок 2.5; DeVol et al., 1990). Несмотря на эти данные, вопрос - может ли GH способствовать гипертрофии мышц - сохраняется и подпитывает идею злоупотреблений GH в спорте. Наиболее вероятными причинами использования GH в качестве допинга являются:

-  хорошо доказанный факт выброса GH при использовании методов силовой тренировки, направленных на  гипертрофию мышц (см. рисунок 5.19);

-  известная роль GH в росте массы скелетно-мышечной системы тела во время полового созревания;

- стимуляция синтеза мышечных белков после острых хирургических вмешательств.

Рисунок 2.5. Экспрессия mRNA факторов роста IGF-I (вверху) и IGF-II (внизу) в камбаловидной и плантарной мышц гипофизоэктомированных крыс после абляции (испарение (сжигание) лазерным импульсом)  мышц- синергистов. Лжно-оперированные животные не демонстрируют гипертрофию или рост мРНК, по сравнению с крысами с аблированными мышцами-синергистами. 

Перепечатано с разрешения, D.L. DeVol et al., 1990, "Activation of insulin-like growth factor gene expression during work-induced skeletal muscle growth," American Journal Physiology 259: E89-E95.

 

Введение GH в руку после еды подавляет выход незаменимых нейтральных аминокислот и аминокислот с разветвленной цепью из руки, то есть, стимулирует задержку аминокислот, необходимых для синтеза белка (Fryburg et al., 1991; Rabinowitz & Zierler, 1963).

Рисунок 5.19. Выраженный секреторный ответ GH на гпертрофирующий протокол силовой тренировки (10 повторений в подходе) по сравнению с силовой тренировкой, направленной на повышение максимальной силы (5 повторений в подходе). Гипертофирующая тренировка вызвала в 8 раз больший ответ. В обоих протоколах, сокращенный до 1 мин интервал отдыха между подходами по сравнению с 3-х минутными интервалами (C и D, верхняя группа) и больший объем нагрузки (D и E, верхняя панель) увеличивали интенсивность GH реагирования.

Адаптирован разрешения, по W.J. Kraemer et al., 1990, "Hormonal and growth factor responses to heavy resistance exercise protocols," Journal of Applied Physiology 69:1442-1450.

 

Может ли GH активировать ген Igfl в мышцах в ответ на силовую тренировку,  остается нерешенным. Более поздние исследования изучали потенциал анаболического эффекта трех сигнальных путей GH: Янус-Киназы (нерецепторная протеин тирозинкиназа) ( JAK2 kinase-STAT), PI3K-Akt и RAS-MAPK (Herrington & Carter-Su, 2001; Lanning & Carter-Su, 2006; см. рис. 8.1). JAK2-STAT5 активирует гены печени для синтеза циркулирующей формы IGF-I (Waxman & O'Connor, 2006); функционирование этого пути в мышцах могло бы подтвердить роль GH в мышечной гипертрофии. Однако, местное введение GH ускоряет GH-анаболическую сигнализацию как в мышечной, так и в жировой ткани и только в течение 30 мин, в то время как экспрессия IGF-I наблюдалась только в жировой ткани (Jorgensen et al., 2006).

Несмотря на то, что до настоящего времени нет убедительных данных, подтверждающих роль гормональной оси GH-IGF-I в мышечной гипертрофии, имеет смысл подробно рассмотреть ее эффекты, так как, все же, имеются некоторые предпосылки того, что введение экзогенного GH может рассматриваться как средство стимулирования мышечной гипертрофии.

Все три вид анаболических сигнальных путей опосредованы GH, но каждый также активирует транскрипцию дополнительных генов (рис. 8.1). Например, вовлекаются фосфорилированные JAK2 транскрипционные факторы STAT, димеры STAT1 участвуют в активации иммунных клеток, димеры STAT3 участвуют в регуляции клеточного роста, димеры STAT5 участвуют в экспрессии циркулирующей формы печеночного IGF-I и печеночного гена Cyp 2/3, которые участвуют в транскрипции пол-спцифичных ферментов цитохрома Р450 (Waxman & O'Connor, 2006). Геномная активность GH включают регулирование нескольких транскрипционных факторов, участвующих в экспрессии протоонкогена c-fos. К ним относятся Elk, C/EBP β и CREBP, которые действуют путем привязки к их соответствующему HRE. С-fos диеризуется с c-jun формируя (андрогенный рецептор) АР-1, который в свою очередь выступает как транскрипционный фактор, регулирующий активность генов, участвующих в клеточной пролиферации и дифференцировке. Ras-MAPK GH сигнальный путь также активирует c-fos (рис. 8.1) и c-myc генов (не показано) и через AP-1 способствует пролиферации и дифференцировки. MAPK путь запускают последовательные фосфорилирования, которые активируют Raf, MEK1/2 и ERK1/2 киназы (рис. 2.13).

 

Рисунок 2.13. Стресс-пути МАРК сигналинга состоят из ERK1/2, JNK1/2 и p38 МАРК. Они могут быть активированы факторами роста, воспалительными цитокинами и свободными радикалами (ROS)  на уровне Shc-Grb-2-S0S комплекса и G-белка Ras.

Адаптировано из биологии и медицины свободных радикалов, Free Radical Biology and Medicine, Vol. 28, R.G. Allen and M. Tresini, "Oxidative stress and gene regulation," pgs. 463-499, copyright 2000, with permission from Elsevier.

 

Внеклеточные сигнал-регулирующие киназы (ERKs) перемещаются к ядру и фосфорилируют транскрипционные факторы c-myc и eIF4E (Force & Bon- ventre, 1998). Внеклеточные сигнал-регулирующие киназы (ERKs) стимулируют транскрипцию белка путем активации P90RSK и eIF4E (см. рис 2.1,2.7 и 2.8).

Рисунок 2.1 Активация PI3K-mT0R сигналинга электромагнитными полями, воздействующими дистальнее рецепторов инсулина или фактора роста.

mTOR путь трансдукции (переноса) сигналов связывает инсулин, митогенный фактор роста, или электромагнитный (стимуляционный и питающий) уровень энергии клетки с эукариотическим транслционным фактором (elFs), необходимым для синтеза белка, прогрессии клеточного цикла и пролиферации клеток. Этот анаболический путь включает ферментативный Каскад, состоящий из PI3K (состоящий из каталитического p85 и регулирующего p110 компонентов), белок 3-фосфоионизитид зависимой протеинкиназы-1 (PDK-1), Akt и мишень рапимицина (mTOR). mTOR активация включает также ингибирование TSC1/2 (туберозно-склерозный комплекс 1,2) Rheb (мозговой гомолог обогащенного Ras). Akt способствует синтезу гликогена через ингибирование GSK3 (гликоген синтаза киназа 3) и перевод белка мРНК на рибосомах через активацию эукариотических факторов инициации трансляции и удлинения (eIFs и eEFs, соответственно). (Patterson et al. 2006.)

 

 

 

    

Рисунок 2.8 Механическая перегрузка увеличивает активность PI3K и фосфорилирование, PDK Серин треонин киназу Akt. Akt фосфорилирует и инактивирует TSC1/2 и активирует mTOR. mTOR стимулирует биогенез рибосом и трансляцию белков путем активации инициации и удлинения факторов через фосфорилирование рибосомпротеинкиназы p70S6. Он также предотвращает связывание 4E-ВР-1 к eIF и подавляет GSK3p. TSC1/2 активируется GSK3 β и AMPK и ингибируется Akt, МАРК (состоящей из ERK1/2) и FAK (фокаладгезинкиназа).

 

Каскад PI3K-Akt, активированный GH, вызывает рекрутирование JAK2 IRS,  а также киназы ее цепочки. Это активирует протеинкиназу серин-треониновой специфичности (mTOR) и, вероятно, активируется в конце постпрандиального периода (после еды), когда инсулин и GH относительно высоки, когда GH имеет переходное инсулиноподобное действие, и когда оба гормона могут действовать синергично в поглощении нутриентов и синтезе белка (Rabinowitz & Zierler, 1963). Липолиз стимулируется гормоном роста (рис. 5.9) с большей вероятностью, чем это делают киназы А,G,C (PKA, PKG, PKC) (см. рис. 5.7). GH может уменьшить брызжеечный жир и жировой компонент всего тела через ингибирование адипогенного фермента 11 fJHSD типа 1 и экспрессию гена PPARy в жировой ткани, тем самым предотвращая дифференциацию адипоцитов и накопление липидов, особенно в висцеральных белых жировых клетках (Herrington & Carter-Su, 2001; Zhao et al., 2011).

Рисунок 5.9 Липолитическое действие GH. Подавление активности адпосомальных липопротеидов (CIDEA) дестабилизирует включение триглицеридов в адипосомы в адипоцитах. Активацию новых  гидролаз TG PNPLA3 облегчает липолиз. Одновременная апрегуляция ацетил коэнзим-синтетазы (ACSS) и Липина повышает биосинтез диацилглицеролов (DAG) и облегчает обмен ТГ.

Reprinted, by permission, from J.T. Zhao et al., 2011, Identification of novel GH-regulated pathway of lipid metabolism in adipose tissue: A gene expression study in hypopituitary men," Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism 96: E1188-E1196.

 

 

Рисунок 5.7 Гормональная стимуляция гормончувствительной липазы (HSL). Катехоламины стимулируют HSL, воздействуя на β, и β2 адреноэргические рецепторы (AdRs) и путем стимуляции регуляторного протеин гликоген синтетазы (Gs), цАМФ и протеинкиназы А ( PKA). Атриопептин (ANP -  atrial natriuretic peptide) выполняет ту же роль путем активации цГМФ и протеинкиназы G (PKG). Липолиз ингибируется инсулином, действуя через фосфодиестеразу (PDE) 3B и a2AdR , которые действуют через G- протеин, ингибируя образованию цАМФ.

Adapted from Progress in Lipid Research, Vol. 48, M. Lafontan and D. Langin, "Lipolysis and lipid mobilization in human adipose tissue," pg. 278, copyright 2009, with permission from Elsevier.

 

Временная разобщенности между секрецией GH и IGF-I при силовой тренировке поддерживает вывод, что GH не играть непосредственную роль в мышечной гипертрофии. GH активно реагирует как на интенсивные аэробные упражнения (рис. 5.10), так и на аэробные упражнения умеренной интенсивности, но большого объема (см рис 5.19; Kraemeret al., 1990, Kraemer & Ratamess, 2005). Однако, такая нагрузка производит  к незначительным изменениям в IGF-I или уровню GH-стимулированных белков, связывающих IGF (BP, IGFBP-3) (Manetta et al., 2002). Кроме того концентрация IGF-I часто снижается в первые недели после начала регулярных тренировок (Rarick et al., 2007), он не реагирует на тренировку силовой направленности и оказывается повышенным только после длительного периода регулярных физических нагрузок (Nindl & Pierce, 2010). К примеру, повышение уровня IGF-I становятся заметным только через 2 недели после начала тренировок и остаться повышенным минимум 6 мес (Roelen et al., 1997). В другой работе существенное увеличение IGF-I и IGFBP-3 были зафиксировано после 4 мес. тренировок (Koziris et al., 1999). Однако не существует четких доказательств, что именно увеличение секреции GH при гипертрофирующей силовой тренировке приводит к гипертрофии скелетных мышц. В то же время, GH стимулируют синтез коллагена в соединительной ткани и сухожилиях, способствуя повышению их устойчивости к повреждениям после периода тренировок. Это отчасти оправдывает популярность GH как анаболического агента в спорте (Doessing & Kjaer, 2005).

 

Роль IGF-I

Гипертрофический ответ скелетных мышц на силовую тренировку в большей мере связан с экспрессией IGF-I и некоторых других факторов роста в самих мышцах, чем  с анаболическими эффектами циркулирующего IGF-I. Доказательствами в поддержку местных анаболических адаптаций является:

- увеличение IGF-I и IGF-II мРНК в механически нагруженных мышцах гипофизэктомированных крыс (DeVol et al, 1990; рис. 2.5);

- увеличение экспрессии IGF-I mRNA в мышцах человека в ответ на тренировку, что не сопровождается ростом циркулирующего IGF-I (Hambrecht et al., 2005);

- нормальный ход мышечной гипертрофии при силовой тренировке мышей, у которых был выбит печеночный ген IGF-I (Matheny et al., 2009).

Экспрессия печеночной IGF-I отличается от экспрессии IGF-I в скелетных мышцах (Matheny et al., 2010). Печеночная IGF-I и другие разновидности IGF-I содержат белковые сегменты, кодированные экзонами 3 и 4, тогда как вариант IGF-IEa дополнительно экспрессирует экзон 6, а человеческая форма IGF-IEb - экзон 5. Механический фактор роста (МФР), который активируется у грызунов в ответ на перегрузку мышц (Goldspink, 2005), напоминает IGF-IEb, но также экспрессирует экзон 6. Разновидности IGF-I, как считается, имеют значение в гипертрофической пролиферации и дифференцировке сателитных клеток.