В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Antioxidants исследователи проанализировали образцы мышц астронавтов, участвовавших в длительных (LDM) и краткосрочных (SDM) миссиях, чтобы изучить влияние космического полета на нитрозилирование мышечного белка. Они обнаружили, что астронавты LDM демонстрировали близкую к нормальной экспрессию сарколеммы NOS1 (сокращение от синтазы оксида азота типа 1) и чрезмерное нитрозилирование функциональных белков после и перед полетом, что указывает на адаптацию мышц. Кроме того, у астронавтов SDM наблюдалось s-нитрозилирование белков гликолитического потока, белков цикла трикарбоновой кислоты (TCA) и белков дыхательной цепи, что указывает на нарушение выработки аденозинтрифосфата (АТФ) и сокращение мышц.
Общие сведения
Показано, что у астронавтов, особенно во время LDMS, наблюдается потеря мышечной массы и снижение функций, механизмы, лежащие в основе которых, плохо изучены. Недавние исследования требуют целенаправленных исследований молекулярных механизмов неиспользования и адаптации опорно-двигательного аппарата, потери мышц и костной массы, питания и оптимизации физических нагрузок в качестве контрмер для будущих исследований дальнего космоса. Показано, что длительное пребывание в космических условиях вызывает изменения в окислительно-восстановительных генах и путях, приводящих к окислительному / нитрозативному стрессу и истощению мышц. Показано, что скелетные мышцы, основной источник оксида азота (NO) в организме, претерпевают значительные физиологические изменения в космосе, влияя на развитие, рост и переносимость физических нагрузок.
В настоящем исследовании исследователи сообщают о результатах исследования MUSCLE IOPSY, проведенного на Международной космической станции (МКС), в ходе которого изучались закономерности локализации сарколеммы NOS1 и дифференциальные изменения уровня белка SNO в камбаловидных мышцах астронавтов, что дает представление о влиянии микрогравитации на физиологию мышц и потенциальных биомаркерах для мониторинга здоровья мышц во время космического полета.
Об исследовании
В настоящем исследовании приняли участие в общей сложности шесть мужчин-членов экипажа МКС из американского, японского и европейского космических агентств, при этом один участник участвовал в SDM (9 дней) и пять — в LDM (~ 180 дней). Астронавт SDM не выполнял упражнения в полете, в отличие от астронавтов LDM. Индексы массы тела и сведения о мерах противодействия физическим нагрузкам были получены от участников. Были собраны и проанализированы образцы биопсии до и после полета из правой камбаловидной мышцы (крупной икроножной скелетной мышцы). Криосрезы из замороженных блоков тканей были иммуноокрашены на NOS1, визуализированы с помощью флуоресцентных вторичных антител и визуализированы с помощью конфокального микроскопа для количественного определения субклеточного сигнала и подвергнуты S-нитрозопротеомике с использованием 2-D дифференциального гель-электрофореза СиДье-малеимида (Nitro-DIGE). Идентификацию белков проводили методом масс-спектрометрии во время полета с лазерной десорбцией/ионизацией с помощью матрицы (MALDI-ToF MS), а для выбранных белков проводили иммуноблоттинг. Из образцов была выделена рибонуклеиновая кислота (РНК) и проведена количественная ПЦР (qPCR) для анализа уровней экспрессии гена NOS1. Статистический анализ включал использование теста Пирсона–Д’Августино на нормальность, парного и непарного t-теста Стьюдента, теста Манна-Уитни и применение коэффициента ложного обнаружения.
Результаты и обсуждение
У двух из трех астронавтов LDM после полета наблюдалось 2-2, 5-кратное изменение уровней транскрипта NOS1 в образцах камбаловидной мышцы по сравнению с предполетным, в то время как у астронавта SDM существенных изменений не наблюдалось. Анализ иммунолокализации выявил снижение сарколеммы NOS1 в образце астронавта SDM после полета по сравнению с предполетным. И наоборот, по крайней мере у двух астронавтов LDM наблюдалось увеличение субсарколеммальной локализации NOS1 после полета. Однако, в то время как у одного астронавта LDM изменений не было, у другого астронавта LDM после полета наблюдалось снижение NOS1. Снижение, наблюдаемое у астронавта SDM, было предотвращено у астронавтов LDM, что указывает на потенциальное положительное влияние целенаправленных упражнений в полете на субарколеммальную экспрессию NOS1 в камбаловидной мышце. Кроме того, количественный анализ уровней белка NOS1 в камбаловидных лизатах показал изменения у астронавтов LDM по сравнению с таковым у SDM.
Нитродигенирующий анализ показал дифференциальные закономерности нитрозилирования в белках, связанных с энергетическим метаболизмом, реакцией на стресс и сокращением мышц. В образце SDM восемь белков показали значительные изменения как в нитрозилировании, так и в количестве. Однако в образцах LDM только один белок показал дифференциальное нитрозилирование. Примечательно, что при SDM фруктозобисфосфатальдолаза А и легкая цепь 3 миозина были чрезмерно нитрозилированы, в то время как при LDM UQCRC1 (сокращение от основного белка 1 убихинолцитохром средуктазы человека) демонстрировал снижение нитрозилирования, несмотря на повышенное содержание. Иммуноблоттинг показал снижение уровней алкогольдегидрогеназы 5/S-нитрозоглутатионредуктазы (ADH5/GSNOR) и тиоредоксинредуктазы 1 (TXNRD1) как у астронавтов SDM, так и у LDM, при этом значительные изменения наблюдались в ADH5 для LDM.
Эти результаты свидетельствуют о сложных изменениях нитрозилирования и содержания белка в ответ на воздействие микрогравитации, потенциально вовлекая пути нитрозативного стресса в адаптацию мышц во время космического полета. Ограничения исследования включают ограниченное количество участников, ограниченное количество образцов биопсии и отсутствие контроля во время полета без физических нагрузок из-за этических ограничений.
Заключение
Подводя итог, исследование показало, что, хотя протоколы упражнений в полете на МКС могут частично смягчить сарколеммальный вывих NOS1 в икроножной мышце, чрезмерное нитрозилирование важнейших мышечных белков и снижение уровня ферментов денитрозилазы указывают на нарушение окислительно-восстановительного гомеостаза в мышцах астронавта независимо от продолжительности воздействия микрогравитации. Необходим дальнейший анализ закономерностей нитрозилирования мышечного белка в различных группах мышц, чтобы определить, отражают ли эти закономерности защитные или вредные механизмы адаптации к микрогравитации. Будущие меры противодействия в полете и протоколы восстановления должны предусматривать добавление пищевых добавок для минимизации мышечного нитрозирующего стресса и обеспечения здоровья и работоспособности экипажа во время миссий по исследованию дальнего космоса.
