Атрофия мышечных волокон, снижение экспрессии мРНК медленной изоформы тяжелых цепей миозина (ТЦМ) MyHCI (β), повышение экспрессии быстрых изоформ MyHCIId/x и MyHCb, нарушения функции митохондрий часто наблюдается в m. soleus грызунов при функциональной разгрузке с применением модели вывешивания задних конечностей [Booth et al, 1990] и рассматриваются как последствия прекращения сократительной активности. Однако если разгрузку применяют дольше 3 суток, камбаловидную мышцу нельзя считать находящейся в состоянии полного покоя. В 1987 году Alford et al показали, что, начиная с 3 суток вывешивания крыс, значения интегральной ЭМГ оказываются повышенными и продолжают непрерывно повышаться вплоть до 14 суток воздействия. Этот феномен, который можно назвать «автономной» нервно-мышечной активностью, был воспроизведен в аналогичных условиях и другими авторами [Kawano et al, 2002, 2004; и другие].Эта активность вопреки ожиданиям, не препятствует развитию атрофических событий и изменениям паттерна экспрессии мРНК медленной и быстрых изоформ MyHC. На модели спинальной трансекции было показано, что автономная активность является результатом значительного снижения экспрессии калий-хлоридного ко-транспортера KCC-2 в нейронах поясничного отдела спинного мозга с последующим изменением направления хлоридного тока и инверсией мембранного потенциала, приводящего к резкому повышению возбудимости мотонейронов [Boulangez et al., 2010]. Снижение экспрессии KCC-2 может быть предотвращено введением нейролептика прохлорперазина. Нами недавно было показано достоверное снижение содержания KCC-2 в спинном мозге крыс, подвергнутых 7-суточной функциональной разгрузке (на модели вывешивания задних конечностей) [Kalashnikov et al., 2021]. У этих животных с помощью имплантированных электродов уже после 2 суток разгрузки была зарегистрирована автономная электрическая активность камбаловидной мышцы. С помощью администрации прохлоперазина удалось предотвратить снижение содержания KCC-2 в спинном мозге и значительно снизить автономную активность мышцы. Эти результаты дают нам возможность дальнейшего изучения внутримышечных последствий снижения автономной активности мышцы в условиях разгрузки. Нами были проведены исследования влияния прохлорперазина, существенно снижающего уровень ЭМГ-активности камбаловидной мышцы при функциональной разгрузке, на миозиновый фенотип и сигнальные маркеры биогенеза митохондрий и протеостаза мышцы.

Значительное снижение автономной активности камбаловидной мышцы под действием прохлорперазина на фоне 7-суточной функциональной разгрузки привело к закономерному углублению уже сниженной экспрессии регуляторов митохондриального биогенеза (COX1, COX2, COX4, PGC1α). Этот факт свидетельствует о том, что маркеры митохондриального биогенеза находятся в прямой зависимости от мышечной активности. Значительное снижение экспрессии митохондриальных маркеров у животных, получавших прохлорперазин и характеризовавшихся пониженной ЭМГ камбаловидной мышцы, сопровождалось достоверным уменьшением содержания супероксидных анионов (по флуоресценции дигидроэтидия) и пониженным уровнем фосфорилирования MAPкиназ p38 и JNK в мышце по сравнению с животными, получавшими физиологический раствор на фоне разгрузки. В то же время снижение автономной активности камбаловидной мышцы на фоне функциональной разгрузки под действием прохлорперазина обусловило поддержание контрольного уровня экспрессии мРНК изоформ ТЦМ, сопровождающееся отсутствием экспорта NFATc1 из мышечных ядер. Этот феномен можно связать со снижением в этих условиях уровня фосфорилирования МАПК р38, которая может фосфорилировать NFAT и способствовать его экспорту из ядер [Sharlo et al., 2019]. Сохранение контрольного уровня экспрессии изоформ ТЦМ отразилось и на соотношении мышечных волокон быстрого и медленного типов, которое под действием прохлорперазина на фоне разгрузки сохранилось на уровне виварного контроля по сравнению с вывешенными животными, получавшими плацебо и демонстрировавшими достоверный сдвиг соотношения в «быструю» сторону. При анализе маркеров анаболических и катаболических сигнальных путей было обнаружено, что снижение основных маркеров анаболических путей (включая параметры рибосомального биогенеза) и повышение экспрессии основных катаболических маркеров мышечных Е3-убиквитин лигаз было полностью или частично предотвращено введением прохлорперазина.

Таким образом, можно предположить, что автономная тоническая активность камбаловидной мышцы, способствуя накоплению активных форм кислорода и, возможно, других сигнальных мессенджеров (например, ионов Ca2+ ), усиливает дисбаланс протеостаза мышцы и приводит к трансформации ее миозинового фенотипа в быструю сторону.

Работа поддержана грантом Российского Научного Фонда № 22-15-00151.

Skeletal muscle atrophy accompanied by a phenotypic transformation that is characterized by the downregulation of slow-twitch myosin heavy chain isoform MyHCI (β) and upregulation of fast-twitch MyHCIId/x and MyHCb isoforms is often observed in rodent soleus muscle during functional unloading using the hind limb-suspension model [Booth et al, 1990]. These changes are usually considered as the consequences of the cessation of contractile activity. However, if muscle is unloaded for more than 3 days it cannot be considered to be in a state of complete disuse. In 1987, Alford et. al. showed that, starting from 3 days of simulated weightlessness electromyographic (EMG) activity had been elevated and continued to increase up to 14 days of exposure. This phenomenon, which can be called "autonomous" neuromuscular activity, has been reproduced in similar conditions by other authors [Kawano et al, 2002, 2004; and others] but, contrary to expectations, did not prevent the development of atrophy and changes in the mRNA expression pattern of slow and fast MyHC isoforms.

At the same time, using spinal cord isolation it was shown that electrical activity recorded in some rodent muscles was the result of a significant decrease in the expression of the potassium chloride co-transporter KCC-2 in neurons of the lumbar spinal cord with a subsequent change in the direction of the chloride current and inversion of the resting membrane potential. These changes lead to a sharp increase in the excitability of motor neurons [Boulangez et al., 2010]. A decrease in the expression of KCC-2 can be prevented by the administration of the neuroleptic prochlorperazine. In our laboratory, a significant decrease in the content of KCC-2 in the spinal cord of rats subjected to 7-day functional unloading has recently been shown [Kalashnikov et al., 2021]. Using chronic electrode implants, autonomous electrical activity of soleus muscle was registered after 2 days of hind limb suspension. Administration of prochloperazine prevented a decrease in the content of KCC-2 in the spinal cord and significantly reduced the autonomous activity of the muscle. These findings give us the opportunity to further investigate the intramuscular and spinal consequences of decreased autonomous muscle activity under functional unloading. We investigated the effects of prochlorperazine administration, which is known to reduce sufficiently the soleus EMG autonomous activity during unloading, on the myosin phenotype and signaling markers of the mitochondrial biogenesis and muscle proteostasis.

A significant decrease in the autonomous activity of soleus muscle together with functional unloading led to a natural deepening of the already reduced expression of the regulators of mitochondrial biogenesis (COX1, COX2, COX4, PGC1α) when using prochlorperazine. This fact indicates that mitochondrial signaling is directly dependent on muscle activity. The profoundly reduced expression of the markers of the mitochondrial biogenesis in unloaded rats administered with prochlorperazine was accompanied with the reduced superoxide ions accumulation (according to data of dihydroethidium fluorescence) and reduced phosphorylation of MAPkinases p38 and JNK.

At the same time, such a decrease in the autonomous activity of the soleus muscle accompanied by functional unloading and prochlorperazine administration allowed the preservation of the mRNA expression of MyHC isoforms at the control level. This effect was concomitant with the absence of NFAT export from muscle nuclei. This phenomenon can be associated with a decrease in the level of phosphorylation of MAPK p38, which can phosphorylate NFAT and promote its export from nuclei [Sharlo et al., 2019]. The maintaining of the vivarium control levels of MHC isoforms expression in prochlorperazine administered unloaded animals corresponded well with the preserved slow and fast fiber type ratio as compared to unloaded placebo rats with the ratio shifted to the fast fibers. When analyzing markers of anabolic and catabolic signaling pathways the unloading-induced decrease in the main markers of anabolic pathways (including the parameters of ribosomal biogenesis) and increase in the expression markers of the muscle-specific E3-ubiquitine-ligases was completely or partially prevented by the administration of prochlorperazine.

Thus it could be supposed that the autonomous tonic activity of the rat soleus muscle facilitating the accumulation of the reactive oxygen species and possibly the other signaling messengers (e.g. Ca2+ ions) during unloading leads to destruction of the proteostatic balance and the fiber type transformation in the postural muscle.

The study was supported by the Russian Science Foundation, grant # 22-15-00151