Miostatina
Miostatina (también conocida como factor de diferenciación de crecimiento 8, abreviado GDF8) es una proteína que en los humanos está codificada por el gen MSTN. La miostatina es una miocina producida y liberada por los miocitos y actúa sobre las células musculares para inhibir el crecimiento muscular. La miostatina es un factor de diferenciación del crecimiento secretado que es miembro de la familia de proteínas beta TGF.
La miostatina se ensambla y produce en el músculo esquelético antes de ser liberada al torrente sanguíneo. La mayoría de los datos sobre los efectos de la miostatina provienen de estudios realizados en ratones.
Los animales que carecen de miostatina o son tratados con sustancias que bloquean la actividad de la miostatina tienen significativamente más masa muscular. Además, las personas que tienen mutaciones en ambas copias del gen de la miostatina (llamado popularmente, pero incorrectamente, "gen Hércules") tienen significativamente más masa muscular y son más fuertes de lo normal. Existe la esperanza de que los estudios sobre la miostatina puedan tener una aplicación terapéutica en el tratamiento de enfermedades que atrofian la masa muscular, como la distrofia muscular.
Descubrimiento y secuenciación
El gen que codifica la miostatina fue descubierto en 1997 por los genetistas Se-Jin Lee y Alexandra McPherron, quienes produjeron una cepa knockout de ratones que carecen del gen y tienen aproximadamente el doble de músculo que los ratones normales. Posteriormente, estos ratones fueron denominados "ratones poderosos".
Se han identificado deficiencias naturales de miostatina de diversos tipos en algunas razas de ganado vacuno, ovino, lebrel y humanos. En cada caso, el resultado es un aumento espectacular de la masa muscular.
Estructura y mecanismo de acción
La miostatina humana consta de dos subunidades idénticas, cada una de las cuales consta de 109 (la base de datos del NCBI afirma que la miostatina humana tiene 375 residuos de largo) residuos de aminoácidos [tenga en cuenta que el gen de longitud completa codifica una preproproteína 375AA que se procesa proteolíticamente a su forma activa más corta ]. Su peso molecular total es de 25,0 kDa. La proteína permanece inactiva hasta que una proteasa escinde el terminal NH2 o "prodominio" porción de la molécula, lo que da como resultado el dímero COOH-terminal activo. La miostatina se une al receptor de activina tipo II, lo que resulta en un reclutamiento del correceptor Alk-3 o Alk-4. Luego, este correceptor inicia una cascada de señalización celular en el músculo que incluye la activación de factores de transcripción de la familia SMAD: SMAD2 y SMAD3. Estos factores luego inducen la regulación genética específica de la miostatina. Cuando se aplica a los mioblastos, la miostatina inhibe su proliferación e inicia la diferenciación o estimula la inactividad.
En el músculo maduro, la miostatina inhibe Akt, una quinasa que es suficiente para causar hipertrofia muscular, en parte mediante la activación de la síntesis de proteínas mientras estimula la producción de ubiquitina ligasas, proteínas que regulan la descomposición de las proteínas musculares. Sin embargo, Akt no es responsable de todos los efectos hipertróficos musculares observados, que están mediados por la inhibición de la miostatina. Por tanto, la miostatina actúa de dos maneras: inhibiendo la síntesis de proteínas inducida por Akt y estimulando la degradación de proteínas regulada por ubiquitina.
Ventaja biológica
Muchas especies diferentes de mamíferos y aves producen miostatina, lo que indica que se seleccionó positivamente la capacidad de producir miostatina. Según algunos investigadores, esto probablemente se debe a que la construcción y el mantenimiento de los músculos son procesos biológicamente costosos que requieren cantidades relativamente grandes de energía y nutrientes que no siempre son abundantes o que podrían ser más útiles en otro lugar, como el cerebro. Tener exceso de músculo también afectaría negativamente la velocidad y la resistencia, ya que requeriría más energía para moverse a altas velocidades durante períodos de tiempo más largos. También podría ejercer una presión adicional sobre el corazón y comprometer la salud y la longevidad.
Efectos en animales
Mutaciones
Las mutaciones en la miostatina hacen más que solo afectar la cantidad de masa muscular que un organismo puede producir; también tienen efectos variables sobre otros fenotipos para diferentes especies. Por ejemplo, un bovino azul belga con una mutación que inhibe la producción de miostatina exhibirá un aumento dramático en la masa muscular pero también provocará distocia. Otras especies con mutación por deficiencia de miostatina, como los humanos o los perros Whippet, no padecen partos obstruidos.
Bovinos de doble musculatura
Después del descubrimiento del gen que codifica la miostatina en 1997, varios laboratorios clonaron y establecieron la secuencia de nucleótidos de un gen de miostatina en dos razas de ganado vacuno, el azul belga y el piamontés. Encontraron mutaciones en el gen de la miostatina (varias mutaciones en cada raza) que de una forma u otra conducen a la ausencia de miostatina funcional. A diferencia de los ratones con un gen de miostatina dañado, en estas razas de ganado las células musculares se multiplican en lugar de agrandarse. La gente describe estas razas de ganado como "de doble musculatura", pero el aumento total de todos los músculos no supera el 40%.
Los animales que carecen de miostatina o los animales tratados con sustancias como la folistatina que bloquean la unión de la miostatina a su receptor tienen músculos significativamente más grandes. Por lo tanto, la reducción de miostatina podría beneficiar potencialmente a la industria ganadera, e incluso una reducción del 20 por ciento en los niveles de miostatina podría tener un gran efecto en el desarrollo de los músculos.
Sin embargo, las razas de animales desarrolladas como homocigotas para la deficiencia de miostatina tienen problemas de reproducción debido a su descendencia inusualmente pesada y voluminosa, y requieren cuidados especiales y una dieta más cara para lograr un rendimiento superior. Esto afecta negativamente a la economía de las razas con deficiencia de miostatina hasta el punto de que no suelen ofrecer una ventaja obvia. Mientras que la carne hipertrófica (por ejemplo, de vacuno piamontés) tiene un lugar en el mercado especializado debido a su gran palatabilidad y ternura, al menos en el caso de las razas de raza pura con deficiencia de miostatina, los gastos y (especialmente en el caso del ganado) la necesidad de supervisión veterinaria los sitúan en desventaja a la hora de comer. el mercado a granel.
Whippets
Los Whippets pueden tener una mutación de la miostatina que implica una deleción de dos pares de bases y da como resultado una proteína miostatina truncada y probablemente inactiva.
Los animales con una deleción homocigótica tienen una forma corporal inusual, con una cabeza más ancha, una sobremordida pronunciada, patas más cortas y colas más gruesas, y se les llama "bully whiskets" por la comunidad criadora. Aunque son significativamente más musculosos, son corredores menos capaces que otros lebrels. Sin embargo, los Whipets que eran heterocigotos para la mutación estaban significativamente sobrerrepresentados en las clases de carreras más importantes.
Ratones
Los ratones que producen grandes cantidades de miostatina exhiben una pérdida significativa de músculo esquelético y grasa corporal en comparación con los ratones normales. Comparativamente, los ratones que produjeron niveles reducidos de miostatina tenían más masa muscular, menos tejido adiposo y tenían el doble de tamaño que los ratones de tipo salvaje.
Conejos y cabras
En 2016, se utilizó el sistema CRISPR/Cas9 para diseñar genéticamente conejos y cabras sin copias funcionales del gen de la miostatina. En ambos casos los animales resultantes eran significativamente más musculosos. Sin embargo, los conejos sin miostatina también exhibieron una lengua agrandada, una mayor tasa de mortinatos y una esperanza de vida reducida.
Cerdos
Un equipo surcoreano-chino ha diseñado un sistema de "doble músculo" los cerdos, al igual que el ganado vacuno, buscan razas más baratas para el mercado de la carne. Se han producido problemas de salud similares a los de otros mamíferos, como dificultades en el parto debido al tamaño excesivo.
Pescado
Las doradas rojas sin miostatina crecen hasta 1,2 del tamaño promedio natural con la misma cantidad de alimento y una startup las vende como alimento en Japón.
Importancia clínica
Mutaciones
Se ha desarrollado una técnica para detectar mutaciones en variantes de miostatina. Las mutaciones que reducen la producción de miostatina funcional provocan un crecimiento excesivo del tejido muscular. La hipertrofia muscular relacionada con la miostatina tiene un patrón de herencia autosómico dominante incompleto. Las personas con una mutación en ambas copias del gen MSTN en cada célula (homocigotos) tienen una masa y fuerza muscular significativamente mayores. Las personas con una mutación en una copia del gen MSTN en cada célula (heterocigotos) tienen un mayor volumen muscular, pero en menor grado.
En humanos
En 2004, a un niño alemán le diagnosticaron una mutación en ambas copias del gen productor de miostatina, lo que lo hacía considerablemente más fuerte que sus compañeros. Su madre tiene una mutación en una copia del gen.
A un niño estadounidense nacido en 2005 se le diagnosticó una afección clínicamente similar, pero con una causa algo diferente: su cuerpo produce un nivel normal de miostatina funcional, pero debido a que es más fuerte y más musculoso que la mayoría de las personas de su edad, se produjo un defecto. Se cree que en sus receptores de miostatina impide que sus células musculares respondan normalmente a la miostatina. Apareció en el programa de televisión El niño más fuerte del mundo.
Potencial terapéutico
Más investigaciones sobre la miostatina y el gen de la miostatina pueden conducir a terapias para la distrofia muscular. La idea es introducir sustancias que bloqueen la miostatina. Un anticuerpo monoclonal específico de la miostatina aumenta la masa muscular en ratones y monos.
Un tratamiento de dos semanas de ratones normales con receptor de activina soluble tipo IIB, una molécula que normalmente se une a las células y se une a la miostatina, conduce a un aumento significativo de la masa muscular (hasta un 60%). Se cree que la unión de la miostatina al receptor de activina soluble le impide interactuar con los receptores unidos a las células. En septiembre de 2020, los científicos informaron que la supresión de las proteínas de señalización de los receptores de activina tipo 2, miostatina y activina A, a través del inhibidor de activina A/miostatina ACVR2B (probado preliminarmente en humanos en forma de ACE-031 a principios de la década de 2010) puede proteger contra la pérdida de masa muscular y ósea. en ratones. Los ratones fueron enviados a la Estación Espacial Internacional y pudieron mantener en gran medida el peso de sus músculos (aproximadamente el doble que el de tipo salvaje debido a la ingeniería genética para la eliminación selectiva del gen de la miostatina) bajo microgravedad. El tratamiento de ratones progéricos con receptor de activina soluble tipo IIB antes de la aparición de signos de envejecimiento prematuro parece proteger contra la pérdida de masa muscular y retrasar los signos relacionados con la edad en otros órganos.
Aún no está claro si el tratamiento a largo plazo de la distrofia muscular con inhibidores de la miostatina es beneficioso, ya que el agotamiento de las células madre musculares podría empeorar la enfermedad más adelante. En 2012, no hay en el mercado ningún fármaco inhibidor de la miostatina para humanos. Un anticuerpo diseñado genéticamente para neutralizar la miostatina, el stamulumab, que estaba siendo desarrollado por la compañía farmacéutica Wyeth, ya no está en desarrollo. Algunos atletas, ansiosos por conseguir este tipo de drogas, recurren a Internet, donde se encuentran falsos "bloqueadores de miostatina" se están vendiendo.
El ejercicio de resistencia y la suplementación con creatina conducen a mayores disminuciones en los niveles de miostatina.
Los niveles de miostatina se pueden reducir temporalmente mediante una desactivación del gen siRNA conjugado con colesterol.
Uso deportivo
La inhibición de la miostatina conduce a hiperplasia e hipertrofia muscular. Los inhibidores de la miostatina pueden mejorar el rendimiento deportivo y, por lo tanto, existe la preocupación de que se pueda abusar de estos inhibidores en el campo de los deportes. Sin embargo, los estudios en ratones sugieren que la inhibición de la miostatina no aumenta directamente la fuerza de las fibras musculares individuales. Los inhibidores de la miostatina están específicamente prohibidos por la Agencia Mundial Antidopaje (AMA). En una entrevista con NPR del 12 de agosto de 2012, Carlon Colker afirmó que "cuando aparezcan los inhibidores de la miostatina, se abusará de ellos". No tengo ninguna duda."
Efectos del estilo de vida sobre la miostatina
La expresión de miostatina disminuye en personas físicamente activas, mientras que la obesidad está relacionada con tener un nivel más alto de miostatina y plasma en circulación.
Efectos
Sobre la formación ósea
Debido a la capacidad de la miostatina para inhibir el crecimiento muscular, puede inhibir indirectamente la formación de hueso al disminuir la carga sobre el hueso. Tiene un efecto de señalización directo sobre la formación y degradación ósea. Se ha demostrado que la eliminación de miostatina reduce la formación de osteoclastos (células multinucleadas responsables de la degradación del tejido óseo) en ratones que modelan la artritis reumatoide. La artritis reumatoide es un trastorno autoinmune que, entre otros efectos, provoca la degradación del tejido óseo de las articulaciones afectadas. Sin embargo, no se ha demostrado que la miostatina sea suficiente únicamente para la formación de osteoclastos maduros a partir de macrófagos, sino sólo un potenciador.
La expresión de miostatina aumenta alrededor del sitio de una fractura. La supresión de la miostatina en el sitio de la fractura conduce a un aumento del callo y del tamaño general del hueso, lo que respalda aún más el efecto inhibidor de la miostatina sobre la formación de hueso. Un estudio realizado por Berno Dankbar et al., 2015, encontró que la deficiencia de miostatina conduce a una reducción notable de la inflamación alrededor del sitio de una fractura. La miostatina afecta la osteoclastogénesis uniéndose a receptores de macrófagos osteoclásticos y provocando una cascada de señalización. La cascada de señalización descendente mejora la expresión de la integrina αvβ3 dependiente de RANKL, DC-STAMP, receptores de calcitonina y NFATc1 (que forma parte del complejo intracelular inicial que inicia la cascada de señalización, junto con R-Smad2 y ALK4 o ALK5).
También se ha encontrado una asociación entre la osteoporosis, otra enfermedad caracterizada por la degradación del tejido óseo, y la sarcopenia, la degeneración de la masa y la calidad muscular relacionada con la edad. Se desconoce si este vínculo es el resultado de una regulación directa o un efecto secundario a través de la masa muscular.
Se ha encontrado en ratones un vínculo entre la concentración de miostatina en el ambiente prenatal y la fuerza de los huesos de las crías, lo que contrarresta parcialmente los efectos de la osteogénesis imperfecta (enfermedad de los huesos frágiles). La osteogénesis imperfecta se debe a una mutación que provoca la producción anormal de colágeno tipo I. Se crearon ratones con miostatina defectuosa reemplazando secuencias que codifican la región C-terminal de la miostatina con un casete de neomicina, lo que hizo que la proteína no fuera funcional. Al cruzar ratones con colágeno tipo I anormal y aquellos con miostatina desactivada, la descendencia tuvo "un aumento del 15 % en la resistencia máxima a la torsión, un aumento del 29 % en la resistencia a la tracción y un aumento del 24 % en la energía hasta el fallo". 34; de sus fémures en comparación con otros ratones con osteogénesis imperfecta, lo que muestra los efectos positivos de la disminución de la miostatina en la resistencia y formación de los huesos.
En el corazón
La miostatina se expresa en niveles muy bajos en los miocitos cardíacos. Aunque se ha observado su presencia en cardiomiocitos de ratones fetales y adultos, su función fisiológica sigue siendo incierta. Sin embargo, se ha sugerido que la miostatina cardíaca fetal puede desempeñar un papel en el desarrollo temprano del corazón.
La miostatina se produce como promiostatina, una proteína precursora mantenida inactiva por la proteína de unión latente al TGF-β 3 (LTBP3). El estrés cardíaco patológico promueve la escisión del terminal N por la furina convertasa para crear un fragmento C-terminal biológicamente activo. Luego, la miostatina madura se segrega del complejo latente mediante escisión proteolítica mediante BMP-1 y metaloproteinasas tolloides. La miostatina libre es capaz de unirse a su receptor, ActRIIB, y aumentar la fosforilación de SMAD2/3. Este último produce un complejo heteromérico con SMAD4, que induce la translocación de miostatina al núcleo de los cardiomiocitos para modular la actividad del factor de transcripción. La manipulación del promotor de la creatinina quinasa muscular puede modular la expresión de miostatina, aunque hasta ahora solo se ha observado en ratones macho.
La miostatina puede inhibir la proliferación y diferenciación de cardiomiocitos manipulando la progresión del ciclo celular. Este argumento está respaldado por el hecho de que el ARNm de miostatina se expresa pobremente en los cardiomiocitos fetales en proliferación. Los estudios in vitro indican que la miostatina promueve la fosforilación de SMAD2 para inhibir la proliferación de cardiomiocitos. Además, se ha demostrado que la miostatina previene directamente la transición de la fase G1 a la fase S del ciclo celular al disminuir los niveles del complejo quinasa 2 dependiente de ciclina (CDK2) y al aumentar los niveles de p21.
El crecimiento de los cardiomiocitos también puede verse obstaculizado por la inhibición regulada por miostatina de la proteína quinasa p38 y la serina-treonina proteína quinasa Akt, que normalmente promueven la hipertrofia de los cardiomiocitos. Sin embargo, el aumento de la actividad de la miostatina sólo se produce en respuesta a estímulos específicos, como en los modelos de estrés por presión, en los que la miostatina cardíaca induce atrofia muscular de todo el cuerpo.
Fisiológicamente, el miocardio secreta cantidades mínimas de miostatina cardíaca al suero, lo que tiene un efecto limitado sobre el crecimiento muscular. Sin embargo, los aumentos de miostatina cardíaca pueden aumentar su concentración sérica, lo que puede causar atrofia del músculo esquelético. Los estados patológicos que aumentan el estrés cardíaco y promueven la insuficiencia cardíaca pueden inducir un aumento tanto del ARNm de miostatina cardíaca como de los niveles de proteína en el corazón. En la miocardiopatía isquémica o dilatada, se han detectado niveles elevados de ARNm de miostatina dentro del ventrículo izquierdo.
Como miembro de la familia TGF-β, la miostatina puede desempeñar un papel en la recuperación posinfarto. Se ha planteado la hipótesis de que la hipertrofia del corazón induce un aumento de miostatina como mecanismo de retroalimentación negativa en un intento de limitar un mayor crecimiento de miocitos. Este proceso incluye proteínas quinasas activadas por mitógenos y la unión del factor de transcripción MEF2 dentro de la región promotora del gen de la miostatina. Se ha demostrado que los aumentos en los niveles de miostatina durante la insuficiencia cardíaca crónica causan caquexia cardíaca. La inhibición sistémica de la miostatina cardíaca con el anticuerpo JA-16 mantiene el peso muscular general en modelos experimentales con insuficiencia cardíaca preexistente.
La miostatina también altera el acoplamiento excitación-contracción (EC) dentro del corazón. Una reducción de la miostatina cardíaca induce una hipertrofia excéntrica del corazón y aumenta su sensibilidad a los estímulos beta-adrenérgicos al mejorar la liberación de Ca2+ del SR durante el acoplamiento de la CE. Además, la fosforilación de fosfolambán aumenta en ratones sin miostatina, lo que lleva a un aumento en la liberación de Ca2+ en el citosol durante la sístole. Por lo tanto, minimizar la miostatina cardíaca puede mejorar el gasto cardíaco.