Другой тип «мышечной памяти»

Прежде чем Адам Шарплс стал молекулярным физиологом, изучающим мышечную память, он профессионально играл в регби. За годы своей спортивной карьеры он заметил, что он и его товарищи по команде, похоже, возвращались в форму после межсезонья или даже после травмы быстрее, чем ожидалось. Восстановить мышечную массу и силу было легко: мышцы как будто помнили, что делать.

В 2018 году Шарплс и его исследовательская лаборатория, которая сейчас находится в Норвежской школе спортивных наук в Осло, были первый, кто покажет это упражнение может изменить работу наших генов, отвечающих за наращивание мышечной массы, в долгосрочной перспективе. Сами гены не меняются, но повторяющиеся периоды нагрузки включают определенные гены, побуждая клетки наращивать мышечную массу быстрее, чем раньше. Эти эпигенетические изменения имеют длительный эффект: ваши мышцы запоминают эти периоды силы и положительно реагируют в будущем.

Интуитивно это имеет смысл. Прошлые упражнения заставляют ваши мышцы более активно реагировать на дополнительные упражнения. За последние несколько лет лаборатория Шарплса обнаружила, что мышцы обладают дополнительными молекулярными механизмами запоминания упражнений; он и другие ученые также опирались на это исследование, подтверждая эпигенетическую мышечную память у молодые и пожилые человеческие мышцы, после разных режимов тренировока также в мыши. Сейчас, когда ему 40 лет, Шарплс все еще размышляет о том, как наши мышцы помнят память, но в последнее время исследует обратную траекторию: имеют ли мышцы аналогичную память на слабость?

Ответ, кажется, да. «Наши новые данные показывают, что мышцы помнит не только рост, но и истощение», — рассказал мне Шарплс о изучать опубликовано в препринте на bioRxiv и в настоящее время находится на рецензировании для Передовая наука. “Чем больше вы сталкиваетесь с травмами и болезнями, тем более восприимчивы ваши мышцы к дальнейшей атрофии. И, ну, вот что такое старение, не так ли?”

Исследовательский совет норвежского правительства финансирует исследования Шарплса и заинтересован в открытиях лаборатории. Ожидается, что в ближайшее десятилетие Норвегия станет «суперстарое общество», в котором более одного из пяти человек старше 65 лет. Япония и Германия уже перешагнули этот порог, и Ожидается, что США достигнут этого уровня к 2030 году.. Возрастная мышечная слабость является основным фактором риска падения; падение – это основная причина травм и смертей во всем мире у людей 65 лет и старше. Лучшее понимание того, как мышцы запоминают и реагируют на самые слабые моменты, является важным шагом на пути к пониманию того, что с этим делать.

В рамках нового исследования команда Шарплса изучала повторяющиеся периоды атрофии мышц молодого человека, используя коленный бандаж и костыли для иммобилизации ног участников на две недели. По словам Шарплса, такой уровень неиспользования сопоставим с реальными ситуациями, в которых мышцы быстро теряют размер и функцию — иммобилизация конечностей после переломов или других травм, периоды госпитализации или постельного режима, снижение нагрузки во время выздоровления. Пару лет назад я пошел наблюдать за этим исследованием для своей книги. На мышцах; один участник исследования, заядлый лыжник и велосипедист, рассказал мне, что был шокирован тем, насколько сильно ухудшились мышцы его ноги всего за пару недель иммобилизации. Команда также провела параллельное исследование мышц старых крыс в сотрудничестве с Ливерпульским университетом Джона Мурса; в обоих исследованиях повторяющиеся периоды неиспользования приводили к эпигенетическим изменениям — сдвигам в способах экспрессии генов.

Эти изменения повлияли на основные функции мышечных клеток, препятствуя работе генов в митохондриях — электростанциях клетки, которые генерируют энергию, необходимую для сокращения и расслабления мышечных волокон. Позволить мышцам ослабить подавленные гены, участвующие в функционировании митохондрий и, в частности, в производстве энергии, включая гены, которые необходимы для мышечной выносливости и восстановления. Исследователи также обнаружили, что ключевой маркер количества митохондрий падал более резко после повторной атрофии, чем после первого эпизода, что указывает на то, что повторное неиспользование делает мышцы более уязвимыми. Другими словами, данные свидетельствуют о том, что каждый раз, когда вы падаете в яму, выбраться обратно становится сложнее.

Подобные изменения произошли как в мышцах молодого человека, так и в мышцах старых крыс. Но молодая мышца смогла адаптироваться и восстановиться. После повторной атрофии в ней наблюдалась менее выраженная реакция экспрессии генов, чем в старой мышце. «Похоже, что во второй раз молодые мышцы обладают некоторой устойчивостью и защитой», — сказал Шарплс. Он сравнил это с реакцией иммунной системы: молодые мышцы лучше реагируют на атрофию во второй раз, потому что они сталкивались с ней раньше и знают, как прийти в норму. Напротив, состарившиеся мышцы становятся более чувствителен после повторной атрофии, демонстрируя ухудшение реакции во втором эпизоде.

Как долго наши мышцы сохраняют эти воспоминания, все еще остается предметом споров. «Благодаря периодам нашего исследования мы знаем с некоторой уверенностью, что эпигенетические воспоминания могут длиться как минимум три-четыре месяца, и что изменения белка также могут быть сохранены”, – сказал Шарплс. “Как долго после этого сказать трудно. Но из наших исследований на больных раком мы знаем, что эпигенетические изменения в мышцах сохранялись даже через 10 лет после выживания от рака».

Это было поразительно слышать. Если неблагоприятное событие для здоровья достаточно драматично, например рак, наши мышцы могут нести его последствия в течение десятилетия или более. Однако чаще всего бездействие, старение и повторяющиеся эпизоды неиспользования могут постепенно привести систему к состоянию, в котором слабость становится более укоренившейся, а восстановление замедляется.

Понимание того, что заставляет мышцы помнить о стрессовых ситуациях (полезно, например, физические упражнения, или вредно, как болезнь), может помочь нам лучше понять, что с этим делать, говорит Кевин Мурак, доцент Университета Арканзаса, изучающий старение и скелетные мышцы и не принимавший участия в новом исследовании. Знание механизмов, которые вызывают полезные изменения на молекулярном уровне, может помочь в разработке лекарств с аналогичным эффектом. На другом конце спектра, если болезнь и обездвиживание имеют долгосрочные негативные последствия, сказал мне Мурач, следующий вопрос, на который нужно ответить: «Можем ли мы использовать упражнения, чтобы компенсировать это?»

И Мюрак, и Шарплс говорят, что данные становятся все более убедительными и подтверждают, что силовые тренировки в сочетании с тренировками на выносливость или высокоинтенсивными интервальными тренировками являются лучшей терапией для защиты от возрастной потери мышц и функций. «Возможно, ключевым выводом является то, что в любой момент этого континуума новые упражнения или стимулы нагрузки все равно могут сместить баланс обратно в сторону роста и здоровья», — сказал Шарплс. «Я не думаю, что существует момент, когда мышцы вообще не могут реагировать — они просто становятся менее эффективными, когда многократно ослабляются или становятся старше».

Идентификация генов, связанных с ростом мышц, а также фармацевтических мишеней может означать, что лекарства или генная терапия в конечном итоге смогут помочь повысить мышечную реакцию у людей, которые не могут заниматься спортом. Однако Мурак и Шарплс предупредили, что стимуляция роста мышечных клеток может иметь непредвиденные последствия, отчасти потому, что пути роста являются общими для всех типов клеток, включая раковые.

Новая работа действительно показывает, что наша мышечная масса — это не чистый лист. «То, что мы обнаружили, предполагает, что наши мышцы могут нести в себе историю как силы, так и силы. и “Слабость”, – сказал Шарплс. Она формируется под влиянием таких факторов, как возраст, исходное состояние мышц, предыдущие случаи атрофии и предыдущие тренировки. “И эта история формирует то, как наши мышцы будут реагировать в будущем”. Я отошел от нашего разговора, думая о битве между положительной мышечной памятью на силу и отрицательной мышечной памятью на атрофию как своего рода перетягивании каната: эти двое постоянно находятся в напряжении, но чем больше у вас опыта того или иного, тем больше оно тянет вас в свои объятия.