![Page 1: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/1.jpg)
Enrique Jaimovich
Instituto de Ciencias
Biomédicas,
Facultad de Medicina
Universidad de Chile
Regulación de la expresión de genes
en células musculares
![Page 2: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/2.jpg)
Frequency of recruitment
Loa
d
inactivity
controls
strengthtrained
endurancetrained
Continuum of Physical Activity
El músculo es plástico!
El músculo se “adapta” para cumplir con el nivel de exigencia que se le impone; la exigencia está representada por el ejercicio
El nivel de actividad físicaestá determinado por elreclutamiento y la carga
El músculo se usa más con – entrenamiento de resistencia– entrenamiento de fuerza(no existe un entrenamientoque optimice ambas)
El músculo se usa menos con– reposo prolongado en cama– inmovilización de extremidades– denervación– vuelos espaciales
![Page 3: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/3.jpg)
Mayor utilización: entrenamiento de fuerza
El aumento inicial en la fuerza parece explicado fundame ntalmente porun mayor reclutamiento de fibras.
Mejoras de largo plazo se explican exclusivamente por hi pertrofia
![Page 4: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/4.jpg)
Entrenamiento de resistencia
Poca hipertrofia pero grandes cambios bioquímicos en la adaptación.
Aumenta el número y concentración de mitocondrias y la actividad de encimas oxidativas.
Control 12-weekstreadmill running
Succinate dehy-drogenase (SDH)activity: Low activity lightHigh activity dark
![Page 5: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/5.jpg)
Control Reposo prolongado
Falta de uso:causa atrofia -- USE IT OR LOSE IT!Atrofia individual de fibras (pérdida de miofibrillas)sin pérdida de fibras.
Efecto más pronunciado en fibras tipo II
“Completamente reversible” (en individuos jóvenes y sanos)
Actividad ATPasa
Fibras tipo I claro
Fibras tipo II oscuro
![Page 6: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/6.jpg)
Fibra “fantasma” 3 dias post daño
![Page 7: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/7.jpg)
Reparacion por activacion de celulas satelites
Myology (Sanes, McGraw-Hill, 1994)
Perry and Rudnicki (2000) Frontiers in Bioscience 5:D750-67.
4 días post daño
2 semanas post daño
4 semanas post dañocon irradiación
![Page 8: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/8.jpg)
![Page 9: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/9.jpg)
Ratón knockout para miostatina y F66
Se-Jin Lee, PLos ONE, 2007
![Page 10: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/10.jpg)
Histología del Músculo Esquelético – Tipos de Fibras
Tipo de fibra
Tipo I(lentas)
Tipo II(rápidas)
Rapidez de contracción
lenta
rápidarápidarápida
Tipo de metabolismo
oxidativo
oxidativooxidativo/glicolíticoglicolítico
MyHC
I
IIAIIXIIB
Resistencia a la fatiga
alta
medianamedianabaja
Nomenclatura
Type I / Slow-oxidative (SO) fibers
Type IIA / Fast-oxidative (FO) fibersType IIX / Fast-oxidative glycolytic (FOG) fibersType IIB / Fast-glycolytic (FG) fibers
![Page 11: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/11.jpg)
Fibras lentasSlow-twitch (type I)
myofibersFalta de uso
Entrenamiento de resistenciaEnvejecimiento
Plasticidad del Músculo EsqueléticoEntrenamiento de fuerza
Cambios hormonales
Fibras rápidasFast-twitch (Type II)
myofibers
Control Reposoprolongado
Falta de uso
Actividad ATPasa
Fibras tipo I claro
Fibras tipo II oscuro
Entrenamiento de resistencia
Control 12-semanascorrer en cinta
Actividadsuccinatodehidrogenasa(SDH): Claro: baja act.Oscuro: alta act
![Page 12: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/12.jpg)
Regulación de la transcripción
![Page 13: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/13.jpg)
Regulatory mechanisms that control calcium-dependent c-fos transcription inneurons. At least two separate cis-acting regulatory elements are critical forcalcium-dependent c-fos transcription: the CaRE and the SRE. These elements,as well as the protein complexes that are recruited to each of these elements, areshown. The transcribed region (dark green) and the c-fos mRNA produced bythe c-fos gene (dark green) are also shown.
Favell & Greenberg, Annu. Rev. Neurosci. 2008. 31:563–90
![Page 14: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/14.jpg)
![Page 15: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/15.jpg)
Bers (2002)Nature 415: 198-205
Estimulación hormonal, músculo cardíaco
![Page 16: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/16.jpg)
Regulación de la contracción
Webb (2003) Adv Physiol Edu 27: 201
Músculo liso
![Page 17: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/17.jpg)
ROS Ca2+
MAPK CaM kinase
Calcineurin
HIF-1αααα PPARαααα/d
NFAT
PGC-1αααα
Músculo Esquelético – Vías de Señalización
Oxidative phosphorylation
& mitochondrial function
Glucose Uptake
Fiber Type Transformation
Faty Acid Uptake
& Oxidation
MEF2
? ?
A number of energy-sensing molecules have been shown to sense variations in energy homeostasis and trigger regulation of
gene expression. The AMP-activated protein kinase, hypoxia-inducible factor 1, peroxisome proliferator-activated receptors,
and Sirt1 proteins all contribute to altering skeletal muscle gene expression by sensing changes in the concentrations of
AMP, molecular oxygen, intracellular free fatty acids, and NAD(+), respectively.
Sirt1
AMPKAMP
O2 FFA
NAD+
![Page 18: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/18.jpg)
Wang et al. PLoS Biol v.2(10); Oct 2004
![Page 19: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/19.jpg)
Fibra de músculo esquelético
![Page 20: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/20.jpg)
![Page 21: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/21.jpg)
![Page 22: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/22.jpg)
![Page 23: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/23.jpg)
We have used cultured myotubes as models of muscle cell
plasticity upon electrical and hormone stimulation
![Page 24: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/24.jpg)
Upon membrane depolarization, muscle cells loaded with a
calcium sensitive dye (fluo-3), show two types of signals:
A fast calcium signal associated to contraction
A slow calcium signal, not related to contraction and with a
distinct, long lasting nuclear component
Interval between imáges: 130 ms
![Page 25: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/25.jpg)
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Flu
ores
cenc
e (
∆∆ ∆∆F/
Fo)
Time (s)
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Flu
ores
cenc
e (
∆∆ ∆∆F/F
o)
Time (s)
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Flu
ores
cenc
e (
∆∆ ∆∆F/
Fo)
Time (s)
Myotubes loaded with Fluo-3,Stimulated 45 Hz 400, 1ms pulses
Fast (e-c coupling) and slow (e-t coupling) signals
![Page 26: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/26.jpg)
Nucleus
SR
T-tubule
Estímulo
Sensor
mRNA
TranscriptionFactor
DNA
Excitación-Transcripción
![Page 27: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/27.jpg)
Ca2+
Nucleus
SR
T-tubulePLC
DHPR
IP3R
IP3R
Ca2+
IP3
DAGGβγβγβγβγ
![Page 28: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/28.jpg)
+-+-PV-NES-DsRed
600Time (min)
Activation of STAT3 by electrical stimulation ofMyotubes
p Y705 STAT3
STAT3 total
a) pSTAT3 induction by electrical stimulation is dependenton Intracellular Ca2+
b) Inhibition of JAK2 by 50 µµµµM HBC suppress theincrease in pSTAT3 levels
pSTAT3
ββββ-actin
Time (min) 0 60 60 + 50 uM HBC
0 60 60 + HBC
0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5
n=2
0.000 60.0000.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 ControlPV-NES *
**
n=3** p<0,001** p<0,01
Time (min)
![Page 29: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/29.jpg)
Control DepolarizedRNA samples
cDNA labeling withCy3 or Cy5-dUTP
Oligonucleotide Microarray(Compugen 22K oligomouse)
Hybridization at 55ºC O.N.
ComputationalAnalysis
Dual-laserscanner
(635 and 532nm)•Software GenePixPro3.0•MicroArray database
Genes modulated in C2C12 myotubes after K+
depolarization. 127 genes were found whose
expression changed at least 1.7-fold up or down
under depolarizing conditions. Starting from these
selected genes, functional classification was done
with Tier3 biological process analysis.
Functional clasification of genes
modified after depolarization
N° of genes Tier 3 Biological Process58 metabolism34 cell growth and/or maintenance20 cell communication9 response to external stimulus9 response to stress8 morphogenesis6 cell death6 death4 cell motility2 cell differentiation2 embryonic development2 response to endogenous stimulus1 pattern specification1 bone remodeling1 pigmentation
![Page 30: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/30.jpg)
-30
-20
-10
0
10
20
30
Time (hrs)
Num
ber o
f gen
es
2 4 18 24
Up-regulated genes
Down-regulated genes
Maximal expression or repression of genes at different times
![Page 31: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/31.jpg)
![Page 32: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/32.jpg)
Depolarization-induced slow calcium transients incr easeIL-6 mRNA levels in skeletal muscle cells
U73122 - + - + - +
K+ (h) 0 3 4
GAPDHIL-6
A. K+ (h) 0 2 3 4
2-APB - + - + - + - +
GAPDHIL-6
0
100
200
300
400
500
IL-6
mR
NA
(%
of c
ontr
ol)
***
K+
2-APBU73122
---
-+-
+--
++-
---
--+
+--
+-+
![Page 33: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/33.jpg)
Skeletal muscle excitation-transcription coupling
![Page 34: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/34.jpg)
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
∆∆ ∆∆F/F
0
Time (s)
original signal double exponential fit
18.02 s2.1s
ττττ2ττττ1
Is the slow calcium signal present inadult muscle fibers?
![Page 35: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/35.jpg)
What about the whole muscle stimulating the nerve…
![Page 36: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/36.jpg)
ATP is released after stimulus …and it is degraded
![Page 37: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/37.jpg)
E-T complex
PLC
PI3K
![Page 38: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/38.jpg)
miofilamentos
Matrizextracelular
citoesqueleto
![Page 39: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/39.jpg)
• Estas proteínas se localizan en el citoplasma, núcleo, citoesqueleto, sarcolema, y MEC.
Cohn and Campbell (2000) Muscle Nerve 23:1459-1471.
• Desde el descubrimiento de la distrofina, se han descrito numerosas genes y susproteínas-producto, llevando a los fenotipos celulares y generando modelos para el estudiode las patogénesis de las distrofias.
Distrofias Musculares:Patologías a menudo fatales de deterioro muscular•En el pasado, las distrofias musculares se clasificaron de acuerdo a los síntomas, diferenciassutiles en la presentación clínica como la edad de inicio, músculos involucrados, velocidad de progresión, forma de herencia.
![Page 40: Regulación de la expresión de genes en células musculares](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022020207/55a4389a1a28ab445c8b459d/html5/thumbnails/40.jpg)