Myostatin

Muskelförtvining och muskelsvaghet är bland de vanligaste ärftliga och förvärvade sjukdomarna och inkluderar muskeldystrofi, kakexi och åldersrelaterad minskning av muskelmassan. Därför uppmärksammades myostatin särskilt av allmänheten och medicinskt kunniga genom de fantastiska – skrämmande? – belgiska blå tjurarna, eftersom här kanske kunde skönjas behandlingsalternativ. De flesta insåg således att de finns gener som kan göra musklerna mycket stora, och att detta sannolikt kan fungera också människor och särskilt på idrottsutövare. Detta rör sig om myostatingenen som hämmar muskeltillväxten, och genom att hämma den kan man ”släppa muskeltillväxten fri.” Sådana myostatinhämmar finns idag tillgänglig. Myostatin visar sig vid närmre granskning emellertid inte bara påverka skelettets muskler utan påverkar också andra funktioner i kroppen, och är därför sannolikt inte så attraktiva för dopingändamål som man först trodde.

Myostatin är en således mänsklig tillväxtfaktor som förhindrar överdriven muskeltillväxt, och onormalt höga nivåer kan orsaka förlust av muskelmassa. Trots bristen på tillförlitliga data har myostatin diskuterats mycket bland idrottare och kroppsbyggare, som hävdar att inhibering av myostatinet kan öka muskeltillväxten. Hos både människor och djur är myostatin ett hormon som fungerar som en sorts “broms” som säger åt musklerna att sluta växa, vilket hjälper till att förhindra att de blir för stora. Detta är viktigt eftersom över en viss storlek, ger mer muskelmassa dem faktiskt inte starkare praktiskt – och muskler som är för stora är också mer sårbara för skador. Överutvecklade muskler kan också komma i vägen för andra viktiga organ, minska dessas storlek och försämra deras funktioner.

Myostatin (även känt som tillväxtdifferentieringsfaktor 8, förkortat GDF8) är ett protein som hos människor kodas av MSTN -genen, som finns på kromosom 2 (2q32.2). Myostatin är ett myokin som produceras och frisätts av myocyter och verkar på muskelceller för att hämma muskeltillväxt. Proteinet är en tillväxtdifferentieringsfaktor som är en medlem av TGF-beta-proteinfamiljen. Myostatin produceras i skelettmuskulaturen men en liten del släpps även ut i blodomloppet.

Genen som kodar för myostatin upptäcktes 1997 av genetikerna Se-Jin Lee och Alexandra McPherron som producerade en knockout-stam av möss som saknar genen och har ungefär dubbelt så mycket muskler som vanliga möss. Naturligt förekommande brister av myostatin av olika slag har identifierats i vissa nötkreatursraser, får och människor. Hos alla dessa blir resultatet en dramatisk ökning av muskelmassan.

De flesta data om effekterna av myostatin kommer från studier utförda på möss. Djur som antingen saknar myostatin eller behandlade med substanser som blockerar aktiviteten av myostatin har betydligt mer muskelmassa. Vidare har individer som har mutationer i båda kopiorna av myostatingenen betydligt mer muskelmassa och är starkare än normalt. Det finns hopp om att studier av myostatin kan ha terapeutisk tillämpning vid behandling av muskelförtviningssjukdomar som muskeldystrofi.

Att hämma myostatin kan påverka musklerna på flera olika sätt. För det första tyder vissa bevis på att inhibering av myostatin kan förhindra att musklerna försvagas under långa perioder av inaktivitet. Till exempel minskade myostatinhämningen muskelförlusten hos unga möss som hindrades från att använda sina bakben i 21 dagar. För det andra anser forskare att myostatinhämning också kan förhindra muskelförlust som uppstår till följd av andra sjukdomar. Genom att ta bort generna som är involverade i att producera myostatin i hjärtat på möss förhindrade den allvarliga muskel- och viktminskningen som orsakades av hjärtsvikt. Hos möss med kronisk njursjukdom bromsade inhibering av myostatin muskelförlusten orsakad av njursjukdom och ökade tillväxten av underarmsmuskler.

En pilotstudie med föreningar som hämmar eller minskar myostatinnivåerna antydde att 7 dagars behandling ökade greppstyrkan hos 6 medelålders försökspersoner. Författarna föreslog ett samband mellan myostatin och muskelutveckling hos friska människor, även om lämpliga kliniska prövningar behövs för att bekräfta deras hypotes. Att hämma myostatin hos friska vuxna möss ökade generell muskelmassa och greppstyrka, vilket tyder på att myostatin fortsätter att reglera muskelstorleken under hela vuxenlivet. Liknande samband har observerats hos möss och nötkreatur, där genetiska mutationer som försämrar skapandet av myostatin i kroppen resulterar i upp till 20 procent fler muskelfibrer än normalt, samt dramatiskt minskade nivåer av kroppen fett.

Att hämma myostatin kan minska ansamlingen av fett i kroppen. Denna effekt har mestadels setts i djurstudier på follistatin, ett naturligt hormon som hämmar myostatin. Hos möss ledde användning av follistatin för att hämma myostatin till minskad fettökning och minskade även storleken på fettlagrande celler (adipocyter).

Molekylärbiologi

Humant myostatin består av två identiska subenheter, var och en bestående av 109 (NCBI-databasen hävdar att humant myostatin är 375 rester långa) aminosyrarester (fullängdsgenen kodar för ett 375AA prepro-protein som bearbetas proteolytiskt till sin kortare aktiva form). Proteinet är inaktivt tills ett proteas klyver NH2-terminalen, eller “pro-domän”-delen av molekylen, vilket resulterar i den aktiva COOH- terminala dimeren. Myostatin binder till aktivin typ II-receptorn, vilket resulterar i en rekrytering av antingen coreceptor Alk-3 eller Alk-4 . Denna coreceptor initierar sedan en signaleringskaskad i muskeln som inkluderar aktivering av transkriptionsfaktorer i SMAD-familjen – SMAD2 och SMAD3. Dessa faktorer inducerar sedan myostatin-specifik genreglering. När det appliceras på myoblaster, hämmar myostatin deras proliferation och antingen initierar differentiering eller stimulerar stillastående. I mogna muskler hämmar myostatin Akt, ett kinas som är tillräckligt för att orsaka muskelhypertrofi, delvis genom aktivering av proteinsyntes samtidigt som det stimulerar produktionen av ubiquitinligaser, proteiner som reglerar muskelproteinnedbrytning. Akt är dock inte ansvarig för alla observerad muskelhypertrofiska effekter, som förmedlas av myostatin-hämning. Således verkar myostatin på två sätt: genom att hämma Akt-inducerad proteinsyntes och genom att stimulera ubiquitin-reglerad proteinnedbrytning.

En teknik för att upptäcka mutationer i myostatinvarianter har utvecklats. Mutationer som minskar produktionen av funktionellt myostatin leder till en ”onaturlig” av tillväxt av muskelvävnad. Myostatinrelaterad muskelhypertrofi har ett ofullständigt autosomalt dominansmönster för nedärvning. Personer med en mutation i båda kopiorna av MSTN -genen i varje cell (homozygoter) har signifikant ökad muskelmassa och styrka. Personer med en mutation i en kopia av MSTN -genen i varje cell (heterozygoter) har ökad muskelmassa, men i mindre grad än homozygoterna.

En överlevnadsfaktor

Myostatin är aktivt under flera stadier av livscykeln. Före födseln (under embryonal utveckling) bestämmer myostatin det totala antalet muskelfibrer en individ kommer att ha. Hos vuxna styr myostatin hur befintliga muskelfibrer växer baserat på kost, fysisk aktivitet och ålder. Hos människor ökar också ofta myostatinnivåerna med åldern, vilket kan bidra till förlust av muskelmassa under åldrandet.

Många olika däggdjurs- och fågelarter producerar myostatin, vilket indikerar att förmågan att producera myostatin varit positivt utvald för överlevnaden och fortplantningen. Enligt vissa forskare beror detta mest troligt på att muskeluppbyggnad och underhåll är biologiskt dyra processer som kräver relativt stora mängder energi och näringsämnen som kanske inte alltid finns i överflöd, eller som kan vara mer användbara någon annanstans, till exempel hjärnan. Att ha för mycket muskler skulle också påverka hastighet och uthållighet negativt, eftersom det skulle kräva mer energi för att röra sig i snabba hastigheter under längre perioder.

Myostatinmutationer hos djur

Mutationer i myostatin gör mer än bara att påverka mängden muskelmassa en organism kan producera; de har också varierande effekter på andra fenotyper för olika arter. Till exempel kommer belgisk blå nötkreatur med en mutation som hämmar myostatinproduktionen att uppvisa en dramatisk ökning av muskelmassa men kommer också att leda till dystoki (svår, smärtsam förlossning). Andra arter med mutation i myostatinbrist som människor eller hundar tycks inte ha problem med förlossningar.

Efter upptäckten av genen som kodar för myostatin 1997, klonade och etablerade flera laboratorier nukleotidsekvensen för en myostatingen i två nötkreatursraser, Belgian Blue och Piemontese. De hittade mutationer i myostatingenen (olika mutationer i vardera rasen) som på ett eller annat sätt leder till frånvaro av funktionellt myostatin. Till skillnad från möss med en skadad myostatingen, förökas muskelcellerna snarare än förstoras hos dessa nötkreatursraser. Den totala ökningen av alla muskler är cirka 40 precent.

Djur som saknar myostatin eller djur som behandlats med substanser som follistatin som blockerar bindningen av myostatin till dess receptor har betydligt större muskler. Således kan en minskning av myostatin potentiellt gynna boskapsindustrin, med även en 20-procentig minskning av myostatinnivåerna som kan potentiellt ha en stor effekt på utvecklingen av muskler.

De djurraser som utvecklats som homozygota för myostatinbrist har så stora problem med födandet av kalvar, hundvalpar med mera att det påverkar ekonomin så negativt att uppfödning inte erbjuder en uppenbar fördel.

Möss som producerar stora mängder myostatin uppvisar en betydande förlust av skelettmuskulatur och kroppsfett jämfört med vanliga möss. Jämförelsevis hade möss som producerade minskade nivåer av myostatin mer muskelmassa, mindre fettvävnad och var dubbelt så stora som vildtypsmöss.

Under 2016 användes CRISPR/Cas9-systemet för att genmanipulera kaniner och getter utan funktionella kopior av myostatingenen. I båda fallen var de resulterande djuren betydligt mer muskulösa, men kaniner utan myostatin uppvisade också en förstorad tunga, en högre andel dödfödda ungar och en minskad livslängd.

Ett sydkoreanskt-kinesiskt team har konstruerat grisar med myostatinmutationer med avsikt att få billigare raser till köttmarknaden. Liknande hälsoproblem har uppstått som med andra däggdjur, såsom förlossningssvårigheter på grund av överdriven fosterstorlek.

Myostatin-inaktiverad röd havsruda växer till 1,2 gånger den naturliga genomsnittliga storleken med samma mängd mat och säljs som mat i Japan av ett startupföretag

Myostatinmutationer hos människa

2004 diagnostiserades en tysk pojke med en mutation i båda kopiorna av den myostatin-producerande genen, vilket gjorde honom betydligt starkare än sina jämnåriga. Hans mamma har en mutation i en kopia av genen. En amerikansk pojke född 2005 fick diagnosen ett kliniskt liknande tillstånd, men med en något annan orsak: hans kropp producerar en normal nivå av funktionellt myostatin. Han är starkare och mer muskulös än de flesta andra i hans ålder på grund av en defekt i hans myostatinreceptorer som tros hindra hans muskelceller från att svara normalt på myostatin. Han medverkade i tv-programmet World’s Strongest Toddler.

Terapeutisk potential

Ytterligare forskning om myostatin och myostatingenen kan leda till behandlingar för den ärtfliga sjukdomen muskeldystrofi. Tanken är att introducera substanser som blockerar myostatin.

En monoklonal antikropp specifik mot myostatin ökar exempelvis muskelmassan hos möss och apor.

En tvåveckorsbehandling av normala möss med löslig aktivin typ IIB-receptor, en molekyl som normalt är fäst vid celler och binder till myostatin, leder till en signifikant ökad muskelmassa (upp till 60 %). Man tror att bindning av myostatin till den lösliga aktivin-receptorn hindrar det från att interagera med de cellbundna receptorerna. I september 2020 rapporterade forskare att undertryckande av aktivin typ 2-receptorer-signalerande proteiner myostatin och activin A via activin A/myostatinhämmaren ACVR2B – testades preliminärt på människor i form av ACE-031 i början av 2010-talet – kan skydda mot både muskel- och benförlust hos möss. Mössen skickades till den internationella rymdstationen och kunde till stor del bibehålla sina muskelvikter – ungefär dubbelt så stora som normal möss på grund av genteknik för riktad radering av myostatingenen – under mikrogravitation.

Behandling av möss med löslig aktivinreceptor typ IIB före uppkomsten av för tidigt åldrande tecken verkar skydda mot muskelförlust och fördröja åldersrelaterade tecken i andra organ.

Det är fortfarande oklart om långtidsbehandling av muskeldystrofi med myostatinhämmare är fördelaktigt, eftersom utarmningen av muskelstamceller kan förvärra sjukdomen senare. Från och med 2012 finns dock inga myostatin-hämmande läkemedel för människor finns på marknaden. En antikropp genetiskt modifierad för att neutralisera myostatin, stamulumab, som var under utveckling av läkemedelsföretaget Wyeth är inte längre under utveckling.  ​​

Potentiella dopingpreparat

Vissa idrottare, ivriga att få tag på ovanstående potentiella dopingpreparat, vänder sig till internet där falska “myostatinblockerare” säljs.

Hämning av myostatin leder till muskelhyperplasi och hypertrofi. Myostatinhämmare borde kunna förbättra styrkeprestation i idrott och därför finns det en oro för att dessa hämmare kan missbrukas inom idrotten. Studier på möss tyder dock på att myostatinhämning inte direkt ökar styrkan hos individuella muskelfibrer, men myostatinhämmare är specifikt förbjudna av WADA.

Övriga effekter av myostatin

fetma

Myostatinuttrycket minskar hos fysiskt aktiva individer, medan fetma är kopplat till att ha en högre nivå av myostatin i cirkulationen.

På benbildning

På grund av myostatins förmåga att hämma muskeltillväxt kan det indirekt hämma benbildningen genom att minska belastningen på benet. Det har emellertid också en direkt signaleffekt på benbildning samt nedbrytning. Nedbrytning av myostatin har visat sig minska bildningen av osteoklaster (flerkärniga celler som ansvarar för nedbrytningen av benvävnad) hos möss i en modell för reumatoid artrit. Myostatin har dock inte visats vara enbart tillräckligt för bildandet av mogna osteoklaster från makrofager, bara en förstärkare.

Myostatin-uttrycket ökar runt platsen för en fraktur. Undertryckande av myostatin vid frakturstället leder till ökad kallus och total benstorlek, vilket ytterligare stöder den hämmande effekten av myostatin på benbildning. Myostatin påverkar osteoklastogenesen genom att binda till receptorer på osteoklastiska makrofager och orsaka en signalkaskad.

Ett samband mellan osteoporos, en annan sjukdom som kännetecknas av nedbrytning av benvävnad, och sarkopeni, åldersrelaterad degeneration av muskelmassa och kvalitet har också hittats. Om denna länk är ett resultat av direkt reglering eller en sekundär effekt genom muskelmassa är inte känt.

Ett samband hos möss mellan koncentrationen av myostatin i den prenatala miljön och styrkan hos avkommans ben, vilket delvis motverkar effekterna av osteogenesis imperfecta (skört bensjuka) har hittats. Osteogenesis imperfecta beror på en mutation som orsakar produktionen av onormalt typ I kollagen. Möss med defekt myostatin skapades genom att ersätta sekvenser som kodar för den C-terminala regionen av myostatin med en neomycinkassett, vilket gör proteinet icke-funktionellt. Genom att korsa möss med det onormala kollagenet av typ I och de med knockout-myostatinet, fick avkomman “en 15 procentig ökning av vridningskraften, en ökning med 29 procentig i draghållfastheten och en 24 procent ökning av energi för att åstadkomma en fraktur” av sina lårben jämfört med de andra mössen med osteogenesis imperfecta, vilket visar de positiva effekterna av minskat myostatin på benstyrka och benbildning.

På hjärtat

Myostatin produceras av hjärtats muskelvävnad men i låg halt, och skador på hjärtat gör att det släpps ut i blodomloppet. Väl i blodomloppet når myostatin musklerna och får dem att försvagas med tiden. Som ett resultat upplever patienter med hjärtsjukdom ofta också symtom på muskelatrofi. Myostatin har noterats i kardiomyocyter från både foster och vuxna möss, men dess fysiologiska funktion är fortfarande osäker.

Myostatin kan hämma kardiomyocytproliferation och differentiering genom att manipulera cellcykelprogression. Detta argument stöds av det faktum att myostatin-mRNA uttrycks dåligt i prolifererande fetala kardiomyocyter. Tillväxt av kardiomyocyter kan också hindras av myostatinreglerad hämning av proteinkinas p38 och serin-treoninproteinkinaset Akt , som vanligtvis främjar kardiomyocythypertrofi. Emellertid uppstår ökad myostatinaktivitet endast som svar på specifika stimuli, såsom i tryckstressmodeller, där hjärtmyostatin inducerar muskelatrofi i hela kroppen.

Fysiologiskt utsöndras minimala mängder hjärtmyostatin från myokardiet till serum, vilket har en begränsad effekt på muskeltillväxt. Emellertid kan ökningar av hjärtmyostatin öka dess serumkoncentration, vilket kan orsaka skelettmuskelatrofi. Patologiska tillstånd som ökar hjärtstress och främjar hjärtsvikt kan inducera en ökning av både hjärtmyostatin-mRNA och proteinnivåer i hjärtat. Vid ischemisk eller dilaterad kardiomyopati har ökade nivåer av myostatin-mRNA upptäckts i den vänstra ventrikeln.

Som medlem av TGF-beta-familjen kan myostatin spela en roll vid återhämtning efter infarkt. Det har antagits att hypertrofi av hjärtat inducerar en ökning av myostatin som en negativ återkopplingsmekanism i ett försök att begränsa ytterligare myocyttillväxt.

Myostatin förändrar också excitation-kontraktion (EC) koppling i hjärtat. En minskning av hjärtmyostatin inducerar excentrisk hypertrofi av hjärtat och ökar dess känslighet för beta-adrenerga stimuli genom att öka Ca2+ frisättning från SR under EC-koppling.  Därför kan minimering av hjärtmyostatin förbättra hjärtminutvolymen.

Follistatin

Eftersom myostatin hämmar muskeltillväxt kommer hämmare av myostatin att öka muskel-tillväxten. En sådan hämmare är follistatin. Det aktivinbindande proteinet follistatin är ett autokrint glykoprotein som produceras av follikulostellatceller (FS) i den främre hypofysen och det är en del av inhibin-aktivin-follistatinaxeln. Follistatin uttrycks i nästan alla vävnader från högre djur, och dess huvudsakliga funktion är bindning och bioneutralisering av medlemmar i TGF-beta-superfamiljen, inklusive myostatin. Isoformen follistatin-344 kan företrädesvis undertrycka effekterna av myostatin och är dess potenta hämmare.

Mänskliga studier om effekter och säkerhet av follistatin saknas. Ett träningstillskott som innehåller follistatin är MYO-X, som använder follistatin från fertila äggulor. MYO-X visade sig öka muskelmassan hos 37 friska manliga idrottare i högskoleåldern när de togs med 10 till 30 gram per dag.

Kreatin och choklad

Kreatin är en potentiell myostatinhämmare. Tillsatt till styrketräning kan kreatin öka tillväxtpotentialen för muskler genom att sänka myostatin . I en studie på friska 27 män förhindrade kreatin ökningar av myostatin. Vissa forskare tror att detta kan lägga till dess muskelbyggande potential hos kraftidrottare.

En annan omtalad metod för att hämma myostatin är genom konsumtion av epicatechin, en medlem av flavonoidfamiljen av kemikalier som kontrollerar pigmentering i växter. Hos gamla möss ledde dagliga injektioner av epikatekin till ökad total muskelstyrka. Samma behandling hos 6 försökspersoner ökade deras handgreppsstyrka efter bara 7 dagar. Det är dock omöjligt att dra giltiga slutsatser från dessa studier. Å andra sidan kan epicatechin hittas i många hälsosamma livsmedel, inklusive grönt te och choklad (särskilt mörk choklad och råkakaopulver).

Kreatin- och follistatintillskott har inte godkänts av FDA för medicinskt bruk. Kosttillskott saknar i allmänhet solid klinisk forskning. Förordningar anger tillverkningsstandarder för dem men garanterar inte att de är säkra eller effektiva. Tala med din läkare innan du kompletterar.

Potentiella biverkningar av hämning av myostatin

Vi vet för närvarande inte vad de långsiktiga effekterna av myostatinhämning – och olika påstådda myostatinhämmare – hos friska människor kan vara.

En potentiell oro är att ökad muskeltillväxt kommer att leda till en ökad risk för skador på grund av ökad stress på muskelfibrerna. Detta kan vara särskilt sant för individer som använder myostatinhämmare som träningstillskott i stället för som en del av en medicinsk behandling för muskeldystrofi eller andra störningar.