Miostatina - Myostatin
A miostatina (também conhecida como fator de diferenciação de crescimento 8 , abreviado GDF8 ) é uma mioquina , uma proteína produzida e liberada pelos miócitos que atua nas células musculares para inibir o crescimento das células musculares. Em humanos, é codificado pelo gene MSTN . A miostatina é um fator de diferenciação de crescimento secretado, membro da família de proteínas beta do TGF .
Animais com falta de miostatina ou tratados com substâncias que bloqueiam a atividade da miostatina têm significativamente mais massa muscular. Além disso, os indivíduos que apresentam mutações em ambas as cópias do gene da miostatina têm significativamente mais massa muscular e são mais fortes do que o normal. Há esperança de que os estudos com a miostatina possam ter aplicação terapêutica no tratamento de doenças que causam perda de massa muscular, como a distrofia muscular .
Descoberta e sequenciamento
O gene que codifica a miostatina foi descoberto em 1997 pelos geneticistas Se-Jin Lee e Alexandra McPherron, que produziram uma cepa de camundongos nocaute que não possui o gene e tem aproximadamente o dobro de músculos dos camundongos normais. Esses ratos foram posteriormente chamados de "ratos poderosos".
Deficiências naturais de miostatina de vários tipos foram identificadas em algumas raças de bovinos, ovinos, whippets e humanos. Em cada caso, o resultado é um aumento dramático na massa muscular.
Estrutura e mecanismo de ação
A miostatina humana consiste em duas subunidades idênticas, cada uma consistindo em 109 (o banco de dados do NCBI afirma que a miostatina humana tem 375 resíduos de comprimento) resíduos de aminoácidos [observe que o gene de comprimento total codifica uma pré-pró-proteína 375AA que é processada proteoliticamente em sua forma ativa mais curta]. Seu peso molecular total é de 25,0 k Da . A proteína é inativa até que uma protease cliva o terminal NH2, ou porção "pró-domínio" da molécula, resultando no dímero terminal COOH ativo. A miostatina se liga ao receptor de ativina tipo II , resultando no recrutamento do co - receptor Alk-3 ou Alk-4 . Esse co-receptor então inicia uma cascata de sinalização celular no músculo que inclui a ativação de fatores de transcrição na família SMAD - SMAD2 e SMAD3 . Esses fatores, então, induzem a regulação gênica específica da miostatina . Quando aplicada a mioblastos , a miostatina inibe sua proliferação e inicia a diferenciação ou estimula a quiescência.
No músculo maduro, a miostatina inibe a Akt , uma quinase que é suficiente para causar hipertrofia muscular , em parte por meio da ativação da síntese protéica enquanto estimula a produção de ubiquitina ligases, proteínas que regulam a degradação das proteínas musculares. No entanto, Akt não é responsável por todos os efeitos hipertróficos musculares observados, que são mediados pela inibição da miostatina. Assim, a miostatina atua de duas maneiras: inibindo a síntese de proteínas induzida por Akt e estimulando a degradação de proteínas regulada por ubiquitina.
Efeitos em animais
Gado de dupla musculatura
Após a descoberta do gene que codifica a miostatina em 1997, vários laboratórios clonaram e estabeleceram a sequência de nucleotídeos de um gene da miostatina em duas raças de gado, Belgian Blue e Piedmontese . Eles encontraram mutações no gene da miostatina (várias mutações em cada raça) que de uma forma ou de outra levam à ausência de miostatina funcional. Ao contrário dos ratos com o gene da miostatina danificado, nessas raças de gado, as células musculares se multiplicam em vez de aumentar. As pessoas descrevem essas raças de gado como "duplamente musculosas", mas o aumento total em todos os músculos não passa de 40%.
Animais sem miostatina ou animais tratados com substâncias como a folistatina, que bloqueiam a ligação da miostatina ao seu receptor, têm músculos significativamente maiores. Assim, a redução da miostatina poderia beneficiar potencialmente a indústria pecuária , com até mesmo uma redução de 20 por cento nos níveis de miostatina, potencialmente tendo um grande efeito no desenvolvimento dos músculos.
No entanto, as raças de animais desenvolvidos como homozigotos para deficiência de miostatina têm problemas de reprodução devido à sua prole invulgarmente pesada e volumosa e requerem cuidados especiais e uma dieta mais cara para atingir um rendimento superior. Isso afeta negativamente a economia das raças com deficiência de miostatina, a ponto de geralmente não oferecerem uma vantagem óbvia. Embora a carne hipertrófica (por exemplo, de carne bovina piemontesa ) tenha um lugar no mercado especializado devido à sua alta palatabilidade e maciez, pelo menos para cepas de raça pura com deficiência de miostatina, as despesas e (especialmente em bovinos) a necessidade de supervisão veterinária os colocam em desvantagem em o mercado a granel.
Whippets
Whippets pode ter uma mutação da miostatina que envolve uma deleção de dois pares de bases e resulta em uma proteína de miostatina truncada e provavelmente inativa .
Animais com deleção homozigótica têm uma forma corporal incomum, com uma cabeça mais larga, sobremordida pronunciada, pernas mais curtas e caudas mais grossas, e são chamados de "whippets valentões" pela comunidade reprodutora. Embora significativamente mais musculosos, eles são corredores menos hábeis do que outros whippets. No entanto, whippets que eram heterozigotos para a mutação foram significativamente super-representados nas classes de corrida de topo.
Coelhos e cabras
Em 2016, o sistema CRISPR / Cas9 foi usado para fazer a engenharia genética de coelhos e cabras sem cópias funcionais do gene da miostatina. Em ambos os casos, os animais resultantes eram significativamente mais musculosos. No entanto, os coelhos sem miostatina também exibiram uma língua dilatada, uma taxa maior de natimortos e uma vida útil reduzida.
Porcos
Uma equipe sul-coreana - chinesa desenvolveu porcos de "músculo duplo", assim como o gado, visando raças mais baratas para o mercado de carne. Problemas de saúde semelhantes ocorreram com outros mamíferos, como dificuldades de parto devido ao tamanho excessivo.
Significado clínico
Mutações
Foi desenvolvida uma técnica para detectar mutações em variantes da miostatina. Mutações que reduzem a produção de miostatina funcional levam a um crescimento excessivo do tecido muscular. A hipertrofia muscular relacionada à miostatina tem um padrão de herança de dominância autossômica incompleta . Pessoas com uma mutação em ambas as cópias do gene MSTN em cada célula ( homozigotos ) aumentaram significativamente a massa muscular e a força. Pessoas com uma mutação em uma cópia do gene MSTN em cada célula ( heterozigotos ) aumentaram o volume muscular, mas em menor grau.
Em humanos
Em 2004, um menino alemão foi diagnosticado com uma mutação em ambas as cópias do gene produtor de miostatina, tornando-o consideravelmente mais forte do que seus pares. Sua mãe tem uma mutação em uma cópia do gene.
Um menino americano nascido em 2005 foi diagnosticado com uma condição clinicamente semelhante, mas com uma causa um pouco diferente: seu corpo produz um nível normal de miostatina funcional, mas porque ele é mais forte e mais musculoso do que a maioria dos outros de sua idade, um defeito em sua miostatina Acredita-se que os receptores evitem que suas células musculares respondam normalmente à miostatina. Ele apareceu no programa de televisão World Strongest Toddler .
Potencial terapêutico
Pesquisas adicionais sobre a miostatina e o gene da miostatina podem levar a terapias para distrofia muscular . A ideia é introduzir substâncias que bloqueiem a miostatina. Um anticorpo monoclonal específico para a miostatina aumenta a massa muscular em camundongos e macacos.
Um tratamento de duas semanas em camundongos normais com receptor solúvel de ativina tipo IIB , uma molécula que normalmente está ligada às células e se liga à miostatina, leva a um aumento significativo da massa muscular (até 60%). Pensa-se que a ligação da miostatina ao receptor solúvel de ativina impede que ela interaja com os receptores ligados às células. Em setembro de 2020, os cientistas relataram que a supressão dos receptores de ativina tipo 2 - proteínas sinalizadoras de miostatina e ativina A via inibidor de ativina A / miostatina ACVR2B - testado preliminarmente em humanos na forma de ACE-031 no início de 2010 - pode proteger contra a perda muscular e óssea Em ratos. Os camundongos foram enviados para a Estação Espacial Internacional e conseguiram manter seus músculos em grande parte - cerca de duas vezes os do tipo selvagem devido à engenharia genética para a deleção direcionada do gene da miostatina - sob microgravidade . O tratamento de camundongos progéricos com receptor de ativina solúvel tipo IIB antes do início dos sinais de envelhecimento prematuro parece proteger contra a perda muscular e atrasar os sinais relacionados à idade em outros órgãos.
Ainda não está claro se o tratamento de longo prazo da distrofia muscular com inibidores da miostatina é benéfico, pois a depleção das células-tronco musculares pode piorar a doença posteriormente. Em 2012, nenhuma droga inibidora da miostatina para humanos estava no mercado. Um anticorpo geneticamente modificado para neutralizar a miostatina, o estamulumabe , que estava em desenvolvimento pela empresa farmacêutica Wyeth , não está mais em desenvolvimento. Alguns atletas, ansiosos para colocar as mãos nessas drogas, recorrem à internet, onde falsos "bloqueadores de miostatina" estão sendo vendidos.
O exercício de resistência e a suplementação de creatina levam a maiores reduções nos níveis de miostatina.
Os níveis de miostatina podem ser temporariamente reduzidos usando um silenciamento do gene siRNA conjugado ao colesterol.
Uso atlético
A inibição da miostatina leva à hiperplasia e hipertrofia muscular . Os inibidores de miostatina podem melhorar o desempenho atlético e, portanto, há uma preocupação de que esses inibidores possam ser usados de forma abusiva no campo dos esportes. No entanto, estudos em ratos sugerem que a inibição da miostatina não aumenta diretamente a força das fibras musculares individuais. Os inibidores da miostatina são especificamente proibidos pela Agência Mundial Antidopagem (WADA). Em uma entrevista de 12 de agosto de 2012 para a National Public Radio , Carlon Colker declarou "quando os inibidores de miostatina aparecerem, eles serão abusados. Não há dúvidas em minha mente."
Efeitos
Na formação óssea
Devido à capacidade da miostatina de inibir o crescimento muscular, ela pode inibir indiretamente a formação óssea, diminuindo a carga no osso. Tem um efeito de sinalização direta na formação e degradação óssea. Foi demonstrado que o knockdown da miostatina reduz a formação de osteoclastos (células multinucleadas responsáveis pela degradação do tecido ósseo) em camundongos que modelam a artrite reumatóide. A artrite reumatóide é uma doença autoimune que, entre outros efeitos, leva à degradação do tecido ósseo nas articulações afetadas. A miostatina, entretanto, não mostrou ser apenas suficiente para a formação de osteoclastos maduros de macrófagos, apenas um intensificador.
A expressão da miostatina é aumentada em torno do local da fratura. A supressão da miostatina no local da fratura leva ao aumento do calo e do tamanho geral do osso, apoiando ainda mais o efeito inibitório da miostatina na formação óssea. Um estudo de Berno Dankbar et al., 2015 descobriu que a deficiência de miostatina leva a uma redução notável da inflamação ao redor do local da fratura. A miostatina afeta a osteoclastogênese ao se ligar a receptores nos macrófagos osteoclásticos e causar uma cascata de sinalização. A cascata de sinalização a jusante aumenta a expressão de integrina dependente de RANKL αvβ3, DC-STAMP, receptores de calcitonina e NFATc1 (que faz parte do complexo intracelular inicial que inicia a cascata de sinalização, juntamente com R-Smad2 e ALK4 ou ALK5).
Também foi encontrada uma associação entre a osteoporose, outra doença caracterizada pela degradação do tecido ósseo, e sarcopenia, a degeneração da massa muscular e da qualidade relacionada à idade. Não se sabe se esta ligação é resultado de regulação direta ou um efeito secundário através da massa muscular.
Foi encontrada uma ligação em ratos entre a concentração de miostatina no ambiente pré-natal e a força dos ossos da prole, neutralizando parcialmente os efeitos da osteogênese imperfeita (doença dos ossos quebradiços). A Osteogênese imperfeita se deve a uma mutação que causa a produção de colágeno Tipo I anormal. Os camundongos com miostatina defeituosa foram criados substituindo as sequências que codificam para a região C-terminal da miostatina por um cassete de neomicina, tornando a proteína não funcional. Ao cruzar camundongos com o colágeno Tipo I anormal e aqueles com a miostatina knockout, a prole teve "um aumento de 15% na força máxima de torção, um aumento de 29% na força de tração e um aumento de 24% na energia até a falha" de seus fêmures em comparação com outros camundongos com osteogênese imperfeita, mostrando os efeitos positivos da diminuição da miostatina na resistência e formação óssea.
No coração
A miostatina é expressa em níveis muito baixos nos miócitos cardíacos. Embora sua presença tenha sido observada em cardiomiócitos de camundongos fetais e adultos, sua função fisiológica permanece incerta. No entanto, foi sugerido que a miostatina cardíaca fetal pode desempenhar um papel no desenvolvimento inicial do coração.
A miostatina é produzida como promiostatina, uma proteína precursora mantida inativa pela proteína 3 de ligação a TGF-β latente (LTBP3). O estresse cardíaco patológico promove a clivagem N-terminal pela furina convertase para criar um fragmento C-terminal biologicamente ativo. A miostatina madura é então segregada do complexo latente por meio de clivagem proteolítica por BMP-1 e metaloproteinases tolloid . A miostatina livre é capaz de se ligar ao seu receptor, ActRIIB, e aumentar a fosforilação do SMAD2 / 3 . Este último produz um complexo heteromérico com SMAD4 , induzindo a translocação da miostatina no núcleo do cardiomiócito para modular a atividade do fator de transcrição. A manipulação do promotor da creatinina quinase muscular pode modular a expressão da miostatina, embora só tenha sido observada em camundongos machos até o momento.
A miostatina pode inibir a proliferação e diferenciação de cardiomiócitos por meio da manipulação da progressão do ciclo celular. Este argumento é apoiado pelo fato de que o mRNA da miostatina é mal expresso na proliferação de cardiomiócitos fetais. Estudos in vitro indicam que a miostatina promove a fosforilação de SMAD2 para inibir a proliferação de cardiomiócitos. Além disso, a miostatina demonstrou prevenir diretamente a transição da fase G1 para S do ciclo celular, diminuindo os níveis do complexo quinase dependente de ciclina 2 (CDK2) e aumentando os níveis de p21 .
O crescimento de cardiomiócitos também pode ser prejudicado pela inibição regulada por miostatina da proteína quinase p38 e da proteína quinase serina-treonina Akt , que tipicamente promovem a hipertrofia dos cardiomiócitos . No entanto, o aumento da atividade da miostatina ocorre apenas em resposta a estímulos específicos, como em modelos de estresse de pressão, nos quais a miostatina cardíaca induz atrofia muscular de corpo inteiro .
Fisiologicamente, quantidades mínimas de miostatina cardíaca são secretadas do miocárdio para o soro, tendo um efeito limitado no crescimento muscular. No entanto, aumentos na miostatina cardíaca podem aumentar sua concentração sérica, o que pode causar atrofia do músculo esquelético. Os estados patológicos que aumentam o estresse cardíaco e promovem a insuficiência cardíaca podem induzir um aumento tanto no mRNA da miostatina cardíaca quanto nos níveis de proteína no coração. Na cardiomiopatia isquêmica ou dilatada , níveis aumentados de mRNA da miostatina foram detectados no ventrículo esquerdo.
Como membro da família TGF-β, a miostatina pode desempenhar um papel na recuperação pós-infarto. Foi levantada a hipótese de que a hipertrofia do coração induz um aumento na miostatina como um mecanismo de feedback negativo na tentativa de limitar o crescimento posterior dos miócitos. Este processo inclui proteínas quinases ativadas por mitogênio e ligação do fator de transcrição MEF2 na região promotora do gene da miostatina. Foi demonstrado que aumentos nos níveis de miostatina durante a insuficiência cardíaca crônica causam caquexia cardíaca . A inibição sistêmica da miostatina cardíaca com o anticorpo JA-16 mantém o peso total do músculo em modelos experimentais com insuficiência cardíaca pré-existente.
A miostatina também altera o acoplamento excitação-contração (EC) dentro do coração. Uma redução na miostatina cardíaca induz hipertrofia excêntrica do coração e aumenta sua sensibilidade aos estímulos beta-adrenérgicos ao aumentar a liberação de Ca 2+ do RS durante o acoplamento EC. Além disso, a fosforilação do fosfolambam está aumentada em camundongos knockout para a miostatina, levando a um aumento na liberação de Ca 2+ no citosol durante a sístole. Portanto, minimizar a miostatina cardíaca pode melhorar o débito cardíaco.
Na cultura popular
Romances
Mutações no gene da miostatina são citadas por um cientista da Universidade de Stanford no romance Performance Anomalies , enquanto o cientista avalia mutações que podem ser responsáveis pelo sistema nervoso acelerado do protagonista de espionagem Cono 7Q.
Televisão
No episódio "Death In the Family" de The Incredible Hulk (série de TV de 1978), um médico injeta um veneno em uma jovem herdeira para simular um distúrbio degenerativo; o frasco foi deliberadamente erroneamente rotulado de miostatina para encobri-lo. David Banner aparentemente sabia como a miostatina real deveria se parecer e sabia que não estava no frasco.
Veja também
- Distrofia muscular
- Hipertrofia muscular
- Hipertrofia muscular relacionada à miostatina
- Força sobre-humana
Referências
links externos
- Perfil GeneReviews
- NPR.org: Myostatin Therapies Hold Hope for Muscle Diseases por Jon Hamilton
- Times Colonist Big Wendy, o chicote musculoso
- miostatina nos títulos de assuntos médicos da Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA (MeSH)
- Visão geral de todas as informações estruturais disponíveis no PDB para UniProt : O14793 (fator de crescimento humano / diferenciação 8) no PDBe-KB .
- Visão geral de todas as informações estruturais disponíveis no PDB para UniProt : O08689 (fator de crescimento / diferenciação de camundongo 8) no PDBe-KB .