Скелетные мышцы состоят из поперечно-полосатой мышечной ткани, которая сокращается под воздействием нервных импульсов, и имеют способность восстанавливаться после травм. Основные участники регенерации мышц — специфические для них стволовые клетки, известные как клетки-сателлиты, располагающиеся между сарколеммой — клеточной мембраной мышечной клетки или мышечного волокна — и базальной пластинкой миофибрилл, органелл клеток поперечно-полосатых мышц, обеспечивающих их сокращение. Клетки-сателлиты обычно неподвижны и имеют низкий уровень метаболизма, однако именно они запускают миогенную программу в ответ на мышечное повреждение.
В активном состоянии эти клетки экспрессируют белок детерминации миобластов 1 (MyoD) — ключевой фактор транскрипции в миогенезе — и пролиферируют в виде миобластов перед дифференцировкой и слиянием для восстановления поврежденных мышц. Способность сателлитных клеток регенерировать мышцы имеет решающее значение и для поддержания мышечной массы. Поскольку их применяют в регенеративной медицине, важно понимать механизм, лежащий в основе поведения таких клеток.
Глюкоза, в свою очередь, — важный энергетический субстрат и анаболический предшественник различных клеток млекопитающих. При анаэробном гликолизе две молекулы АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) генерируются из одной молекулы глюкозы, а центральный метаболит пируват играет роль питательной среды в цикле митохондриальной трикарбоновой кислоты посредством окислительного фосфорилирования. Глюкоза также нужна для синтеза нуклеотидов через пентозофосфатный путь, который необходим при производстве рибозы для синтеза ДНК во время деления клеток. Пролиферирующие клетки, например раковые, предпочитают глюкозу в качестве топлива для быстрой пролиферации. Поэтому считается, что средам различных культивируемых клеток нужны высокие концентрации глюкозы для улучшения пролиферации — разрастания ткани путем размножения клеток делением.
Среды с высоким содержанием глюкозы используют и для культивирования мышечных клеток. Однако ученые из Токийского столичного университета выяснили, что такие условия, напротив, не подходят для выращивания сателлитных клеток: им необходима среда с низким содержанием глюкозы. Это противоречит популярному мнению о том, что клетки млекопитающих чувствуют себя лучше, получая больше сахара для подпитки деятельности. Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology.
Научная группа во главе с Ясуро Фуруичи, Ясуко Манабе и Нобухару Л. Фуджи изучила, как сателлитные клетки скелетных мышц развиваются вне тела — в чашках Петри. Они заметили, что более высокий уровень глюкозы отрицательно влияет на скорость их роста. Среда с низким содержанием глюкозы приводила к большему количеству клеток со всеми биохимическими маркерами, необходимыми для эффективной пролиферации. Помимо этого, популяция резервных клеток увеличивалась за счет снижения концентрации глюкозы (на это указывала экспрессия белка под названием Pax7, который играет основную роль в мышечной регенерации). Высокий уровень этого питательного вещества, как оказалось, нарушает важные функции сателлитных клеток, такие как пролиферация и самообновление. Судя по всему, такие избыточные концентрации — негативный фактор для гомеостаза скелетных мышц, поскольку гипергликемия вызывает нарушение их регенерации и атрофию.
Ученым также удалось вывести чистые культуры клеток-сателлитов — ведь среда со сверхнизким содержанием глюкозы не позволяет другим типам клеток размножаться. Это может стать стимулом для других биомедицинских исследований. Между тем во время экспериментов со средами с высоким содержанием глюкозы культуры сателлитных клеток превращались в смесь из-за того, что другие типы клеток в исходном образце также размножались. Поддерживая низкий уровень глюкозы, авторы исследования смогли создать условия, когда сателлиты могли размножаться, а клетки других типов — нет.
Уровни сахара, использованные в предыдущих экспериментах, совпадают с теми, которые наблюдаются у страдающих диабетом людей. Это может объяснить, почему такие пациенты сталкиваются с потерей мышечной массы. Но каким образом биологи добились столь низкого уровня глюкозы? Для этого они добавляли глюкозооксидазу — фермент, переваривающий глюкозу. Поэтому клетки жили на удивление нормально и хорошо развивались. По-видимому, они получают энергию из совершенно другого источника, отметили ученые. И его предстоит определить в дальнейших исследованиях.
