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2012/2013 The skeletal muscle is a terminally differentiated tissue. Its capacity to repair following injury or disease depends on a population of myogenic precursors, named satellite cells. These cells are localized beneath the skeletal muscle fiber, in a specialized microenvironment, the niche. The niche preserves the homeostatic conditions of satellite cell quiescence, but at the same time, it ensures their responsiveness to mechanical, physical and chemical triggers from the surrounding environment. Therefore, the composition of the external milieu is critical in determining satellite cell behavior. As a matter of fact, during aging or under pathological conditions, alterations of the extracellular environment entail a severe impairment of satellite cell ability to sustain regeneration and repair of the skeletal muscle tissue. The general goal of this thesis was to focus on some of the trophic factors potentially present in the satellite cell niche in vivo and to characterize their role on the modulation of satellite cell functions in vitro. The first part of the research activity dealt with the study of the trophic effect of ATP on mouse myoblast proliferation. From literature, it emerged that ATP is a potential regulator of the skeletal muscle regenerative program, however the signalling mechanism remained partially unknown. We observed that ATP increased myoblast growth rate, effect that was mimicked by low concentrations of H2O2. Reactive oxygen species (ROS) imaging revealed that ATP induced H2O2 production, at concentrations comparable to those effective in triggering myoblast proliferation. Interestingly, the exposure to equimolar concentrations of adenosine did not mimic the effect of ATP, excluding any role for the main hydrolysis product of ATP in the control of cell cycling. This result was in agreement with data reporting that the specific enzymes responsible for ATP degradation are poorly expressed in myoblasts and become upregulated after cell differentiation. In line with the latter observation, it appeared reasonable that the differentiating skeletal muscle cells were more exposed to ATP-derived adenosine than proliferating myoblasts, and this suggested a potential physiological role for the nucleoside adenosine in the later phases of myogenesis. Taking into account that adenosine receptors (ARs) are present in mouse myotubes, in a second study we hypothesized a crosstalk between nAChRs and ARs. Using the Ca2+-imaging technique, we observed that the pharmacological modulation of ARs triggered variations in the nAChR-driven ([Ca2+]i) spikes. Moreover, our preliminary results suggest not only an interplay between the two receptors but also that endogenous adenosine is tonically released by twitching myotubes and activates its receptors. The third research project was aimed at exploring the role of neural agrin, a heparan sulphate proteoglycan, so far known as the key organizer of post-synaptic elements during skeletal muscle differentiation/regeneration. Besides agrin’s canonical effect on the maturation of the NMJ, novel roles have been discovered in the recent years, suggesting that the neurotrophic factor has pleiotropic effects. In this new context, we pursued the identification of potential new roles for neural agrin in the determination of satellite cell behaviour. Firstly, the analysis of different cell models, including C2C12 cell line and primary mouse and human cells, and revealed an increase in IL-6 secretion following exposure to agrin. Secondly, we addressed the hypothesis of agrin as a potential modulator of human myoblasts proliferation. Our preliminary results demonstrate that agrin enhances the proliferative capacity of human satellite cells and suggest the potential mechanism involved in the signaling cascade. Il muscolo scheletrico è un tessuto terminalmente differenziato. La sua capacità rigenerativa in seguito a danno o patologia dipende da una popolazione di precursori miogenici, le cellule satelliti. Esse sono localizzate sulla superficie della fibra muscolare, racchiuse in un ambiente altamente specializzato, la nicchia. La nicchia assicura il mantenimento della quiescenza cellulare, ma allo stesso tempo fa sì che la cellula satellite risponda a stimoli meccanici, fisici o chimici, provenienti dall’ambiente esterno. Per questo motivo, la composizione dell’ambiente circostante condiziona altamente il comportamento della cellula satellite. Infatti, le alterazioni che si verificano con l’invecchiamento o in seguito a patologia compromettono la capacità dei precursori miogenici di sostenere la rigenerazione del tessuto. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di individuare e caratterizzare alcuni dei fattori trofici che compongono il microambiente della cellula satellite in vivo, per cercare di capire come essi modulino le funzioni dei precursori miogenici durante la rigenerazione in vitro. La prima parte dell’attività di ricerca ha riguardato lo studio dell’effetto trofico dell’ATP sulla proliferazione mioblastica. Studi in letteratura hanno fatto emergere il potenziale ruolo regolatore dell’ATP nella rigenerazione muscolare, anche se i meccanismi attraverso cui opera non sono ancora chiari. I risultati da noi ottenuti hanno dimostrato che l’ATP aumenta la proliferazione mioblastica e che un effetto simile si osserva in presenza di H2O2. L’imaging per le specie reattive dell’ossigeno (ROS) ha inoltre dimostrato che l’ATP induce la produzione di H2O2, a concentrazioni paragonabili a quelle capaci di aumentare la proliferazione. In presenza di concentrazioni equimolari di adenosina non è stato osservato alcun effetto sulla proliferazione cellulare, fatto che suggerisce che il ruolo dell’ATP non sia attribuibile all’adenosina, il suo principale prodotto di degradazione. Questo risultato è in accordo con quanto già riportato da altri Autori a proposito degli enzimi responsabili dell’idrolisi dell’ATP: essi sono poco espressi nei mioblasti in proliferazione, mentre la loro espressione aumenta notevolmente con il differenziamento cellulare. Alla luce di queste osservazioni, risultava verosimile che i miotubi fossero più esposti rispetto ai mioblasti all’adenosina derivante dall’ATP e che pertanto l’adenosina avesse un ruolo fisiologico preponderante nelle fasi avanzate della miogenesi. Dal momento che i recettori per l’adenosina (ARs) sono espressi nei miotubi murini, un secondo lavoro ha avuto come obiettivo quello di investigare un possibile “crosstalk” tra i ARs e i nAChRs. Esperimenti di Ca2+- imaging hanno dimostrato come la modulazione farmacologica dei ARs si traduca in una variazione nelle oscillazioni di [Ca2+]i indotte dall’attività del nAChR. Questi risultati, sebbene preliminari, suggeriscono non solo che i due recettori interagiscono tra loro, ma anche che l’adenosina è tonicamente secreta dai miotubi in contrazione e agisca attivando i suoi recettori. Il terzo progetto di ricerca è stato finalizzato allo studio del ruolo dell’agrina neuronale, un proteoglicano eparan solfato, già noto per la sua capacità di aggregare elementi sinaptici durante la fase di differenziamento e di rigenerazione del muscolo scheletrico. Accanto al ruolo canonico che la vede coinvolta nella maturazione della giunzione neuromuscolare, negli ultimi anni sono state descritte nuove funzioni per l’agrina neuronale, che la indicano come un fattore pleiotropico. In questo contesto, abbiamo esplorato nuove proprietà dell’agrina. In primo luogo, l’analisi di diversi modelli cellulari, incluse la linea cellulare C2C12 e cellule primarie murine e umane, ha dimostrato che il fattore neurotrofico potenzia il rilascio di IL-6. In un secondo studio, è stato ipotizzato un potenziale effetto di modulazione della proliferazione di mioblasti umani da parte dell’agrina neuronale. Risultati preliminari hanno dimostrato che l’agrina aumenta la capacità proliferativa delle cellule satelliti umane. Inoltre, sono stati individuati alcuni dei fattori molecolari che partecipano alla cascata di segnalazione. XXVI Ciclo 1986 |
