Известно, что при уменьшении механической активности скелетных мышц млекопитающих происходит их атрофия, при этом наиболее выраженные изменения наблюдаются в постуральной камбаловидной мышце [1, 2], содержащей преимущественно волокна медленной изоформы тяжелых цепей миозина типа I(β). Вместе с тем, в ряде работ было обнаружено наличие автономной нервно-мышечной активности мышц, регистрируемой через 3 суток функциональной разгрузки [3, 4]. В настоящей работе с помощью фармакологической потенциации спонтанной сократительной активности камбаловидной мышцы препаратом омекамтив мекарбил (ОМ) предполагалась активация анаболических сигнальных путей, приводящих к сохранению массы, силы и собственной жесткости мышцы на фоне антигравитационной разгрузки задних конечностей крыс. ОМ является селективным активатором медленного β-миозина. Локализуясь вблизи границы раздела нескольких ключевых консервативных структурных элементов миозина, ОМ стабилизирует плечо рычага в активированном положении, предваряющем рабочий ход, увеличивая число миозиновых головок, способных связаться с актиновой нитью [5]. Такой кинетический эффект, в свою очередь, способствует ускоренному высвобождению фосфата и ингибирует вращение плеча рычага, продлевая время, которое миозин проводит в сильносвязанном с актином состоянии [5, 6, 8]. Для достижения поставленной цели в эксперименте были использованы животные следующих экспериментальных групп: группа виварного контроля (С); группа виварного контроля c введением ОМ в течении 10 суток (С+ОМ); группа, подвергнутая разгрузке задних конечностей на протяжении 14 дней (H); и группа разгрузки, совмещенная с введением ОМ с 4 дня вывешивания (H+OM) (после появления спонтанной электромиографической активности).

Нами обнаружено, что инъекции препарата ОМ сохранили скорость синтеза белка на уровне контрольных значений, иллюстрируемой частичным предотвращением атрофии волокон скелетных мышц как быстрого, так и медленного типа. Данный эффект является, по-видимому, отражением положительного влияния препарата на показатели трансляционной эффективности мРНК (скорость синтеза белка в расчете на одну рибосому). В группе Н+ОМ наблюдалась инактивация GSK-3β и последующее дефосфорилирование ее мишени фактора инициации eIF2B-ε, активация сигнальных белков p90RSK, p70S6K, а также более высокое содержание IRS-1 по сравнению с группой вывешивания без введения препарата. Кроме того, обнаружено предотвращение снижения силы и собственной жесткости камбаловидной мышцы крысы, изолированной после двух недель экспозиции в условиях безопорности. Между тем, применение препарата не предотвратило активацию протеолиза: в частности, значимое увеличение экспрессии убиквитинлигазы MuRF-1, убиквитина и кальпаина произошло в обеих группах с вывешиванием задних конечностей, а также не оказывало влияния на маркеры трансляционной ёмкости (45S пре-рРНК, 18S рРНК и 28S рРНК). Таким образом, химически-индуцированное увеличение мощности и продолжительности сокращений камбаловидной мышцы на фоне разгрузки создает предпосылки для синтеза белка. При этом, следует полагать, что применение ОМ целесообразно с фармакологическими препаратами, ингибирующими экспрессию убиквитинлигаз.



Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта №22-25-00602



1. Ohira Y., Yoshigana T., Nomura T., Kawano F., Ishihara A. Nonaka I., Roy R.R., Edgerton V.R. Gravitational unloading effects on muscle fiber size, phenotype and myonuclear number // Adv Space Res. 2002. Vol. 30(4). P. 777-781.

2. Fitts R.H., Riley D.R., Widrick J.J. Functional and structural adaptations of skeletal muscle to microgravity // J Exp Biol. 2001. Vol. 204(Pt 18). P. 3201-3208.

3. Alford E.K., Roy R.R., Hodgson J.A., Edgerton V.R. Electromyography of rat soleus, medial gastrocnemius, and tibialis anterior during hind limb suspension // Exp. Neurol. 1987. Vol. 96. P. 635–649

4. Kawano F., Nomura T., Ishihara A. et al. Afferent input-associated reduction of muscle activity in microgravity environment // Neurosci. 2002. Vol. 114. P. 1133–1138.

5. Planelles-Herrero V. J., Hartman J.J, Robert-Paganin J., Malik F.I., Houdusse A. Mechanistic and structural basis for activation of cardiac myosin force production by omecamtiv mecarbil // Nat. Commun. 2017. Vol. 8(1): 190.

6. Rohde J.A., Thomas D.D., Muretta J.M. Heart failure drug changes the mechanoenzymology of the cardiac myosin powerstroke // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2017. Vol. 114(10). P. 1796-1804.

7. Winkelmann D.A., Forgacs E., Miller M.T., Stock A.M. Structural basis for drug-induced allosteric changes to human β-cardiac myosin motor activity // Nat. Commun. 2015. Vol. 6: 7974.

It is well known that atrophy develops as a result of a reduction in the mechanical activity of mammalian skeletal muscles, while the most pronounced changes are observed in the postural soleus muscle [1, 2], with a predominant expression of the slow isoform of myosin heavy chains type I(β). At the same time, in a number of studies, the presence of autonomous neuromuscular muscle activity was detected, recorded after 3 days of functional unloading [3, 4]. In this work, it was assumed that pharmacological potentiation of spontaneous contractile activity of the soleus muscle with omecamtiv mekarbil (OM) will activate the anabolic signaling pathways leading to the preservation of muscle mass, strength and intrinsic stiffness of the unloaded rat’s hindlimbs. OM is a selective activator of slow β-myosin. Being localized near the interface of several key conservative structural elements of myosin, OM stabilizes the lever arm in a primed position preceding the power stroke, increasing the number of myosin heads that can bind to the actin filament [5]. This kinetic effect, in turn, promotes accelerated release of phosphate and inhibits the rotation of the lever arm, prolonging the time that myosin spends in a strongly actin-bound state [5, 6, 8]. To achieve this goal, animals of the following experimental groups were used in the experiment: control group (C); control group with the administration of OM for 10 days (C+OM); a group subjected to hindlimb suspension for 14 days (H); and a hindlimb suspension group combined with OM administration starting from 4th day of unloading (H+OM) (after the appearance of spontaneous electromyographic activity).

We found that injections of OM kept the muscle protein synthesis rate at the level of control values, illustrated by the partial prevention of muscle fibers atrophy of both fast and slow types. Presumably, this effect is a reflection of the positive effect of the drug on the translational efficiency of mRNA (the rate of protein synthesis per ribosome). In the H+OM group we observed inactivation of GSK-3ß and subsequent dephosphorylation of its target initiation factor eIF2B-ε, activation of signaling proteins p90RSK, p70S6K, as well as a higher IRS-1 content compared to the hindlimb suspension group without administration of OM. In addition, OM was found to prevent a decrease in the strength and intrinsic stiffness of the soleus muscle isolated after two weeks of disuse. Meanwhile, administration of OM did not prevent the activation of proteolysis: in particular, a significant increase in the expression of ubiquitin ligase MuRF-1, ubiquitin and calpain occurred in both groups of hindlimb unloading, and also had no effect on markers of translational capacity (45S pre-rRNA, 18S rRNA and 28S rRNA). Thus, a chemically-induced increase in the power and duration of spontaneous contractions of the soleus muscle under unloading conditions creates prerequisites for protein synthesis. At the same time, it should be assumed that the use of OM is advisable with pharmacological drugs that inhibit the expression of ubiquitin ligases.



The study was financially supported by the Russian Science Foundation within the framework of the scientific project No. 22-25-00602



1. Ohira Y., Yoshigana T., Nomura T., Kawano F., Ishihara A. Nonaka I., Roy R.R., Edgerton V.R. Gravitational unloading effects on muscle fiber size, phenotype and myonuclear number // Adv Space Res. 2002. Vol. 30(4). P. 777-781.

2. Fitts R.H., Riley D.R., Widrick J.J. Functional and structural adaptations of skeletal muscle to microgravity // J Exp Biol. 2001. Vol. 204(Pt 18). P. 3201-3208.

3. Alford E.K., Roy R.R., Hodgson J.A., Edgerton V.R. Electromyography of rat soleus, medial gastrocnemius, and tibialis anterior during hind limb suspension // Exp. Neurol. 1987. Vol. 96. P. 635–649

4. Kawano F., Nomura T., Ishihara A. et al. Afferent input-associated reduction of muscle activity in microgravity environment // Neurosci. 2002. Vol. 114. P. 1133–1138.

5. Planelles-Herrero V. J., Hartman J.J, Robert-Paganin J., Malik F.I., Houdusse A. Mechanistic and structural basis for activation of cardiac myosin force production by omecamtiv mecarbil // Nat. Commun. 2017. Vol. 8(1): 190.

6. Rohde J.A., Thomas D.D., Muretta J.M. Heart failure drug changes the mechanoenzymology of the cardiac myosin powerstroke // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2017. Vol. 114(10). P. 1796-1804.

7. Winkelmann D.A., Forgacs E., Miller M.T., Stock A.M. Structural basis for drug-induced allosteric changes to human β-cardiac myosin motor activity // Nat. Commun. 2015. Vol. 6: 7974.