REFERENSI SISTEM OTOT

(1)

Sistem membran dan struktur halus unit kontraktil

Sunny Wangko

Bagian Anatomi-Histologi Fakultas Kedokteran Universitas Sam Ratulangi Manado Email: [email protected]

Abstract: There are three main components of skeletal muscle: connective tissue, muscle tissue, and membrane system. The connective tissue protects the muscle fibers and separate them into fasicles. The skeletal muscle consists of paralel muscle fibers with their myofibrils which are composed by smaller contractile units, thick myofilaments and thin myofilaments.

The membrane system consists of sarcolemma, transverse tubules (TT), foot structure, and sarcoplasmic reticulum (SR) with its cisternae. Depolarization of the sarcolemma spreads to TT, foot structure, and SR, resulting in the release of Ca²⁺ ions from SR. These ions trigger the formation of cross bridges to begin a contraction.

Keywords: sarcolemma, T tubule, sarcoplasmic reticulum, thick myofilament, thin myofilament

Abstrak: Terdapat tiga komponen utama jaringan otot rangka, yaitu: jaringan ikat, jaringan otot seran lintang, dan sistem membran. Jaringan ikat berfungsi melindungi serat-serat otot dan memisahkannya atas berkas-berkas otot. Jaringan otot rangka tersusun atas serat-serat otot yang bherjalan sejajar dengan miofibrilnya yang terdiri atas unit kontraktil yang lebih kecil yaitu miofilamen tebal dan tipis. Sistem membran terdiri atas sarkolema dimana terjadinya depolarisasi yang paling awal dan dihantarkan ke dalam serat otot melalui tubulus T, struktur kaki pada daerah triad, dan sisterna terminalis yang selanjutnya memicu pelepasan ion Ca²⁺

dari retikulum sarkoplasma. Ion Ca²⁺ merupakan pemicu untuk pembentukan jembatan silang yang mengawali suatu kontraksi otot.

Kata kunci: sarkolema, tubulus T, retikulum sarkoplasma, filamen tebal, filamen tipis

Tulang dan sendi membentuk rangka tubuh (skeleton), tetapi tidak dapat menghasilkan pergerakan sendiri. Pergerakan dihasilkan oleh pergantian kontraksi dan relaksasi otot, dimana terjadi perubahan energi kimia (ATP) menjadi energi mekanik.

Jaringan otot menyusun 40-50% dari berat badan total. Secara umum fungsi jaringan otot ialah untuk pergerakan, stabilisasi posisi tubuh, mengatur volum organ dan termogenesis; diperkirakan 85%

panas tubuh dihasilkan oleh kontraksi otot.

Sifat jaringan otot ialah eksitabilitas/

iritabilitas, dapat berkontraksi, dapat diregang tanpa merusak jaringannya pada batas tertentu, dan elastisitas. Berdasarkan

S27

ciri-ciri histologik, lokasi serta kontrol sistem saraf dan endokrin, jaringan otot dikelompokkan atas jaringan otot rangka, otot jantung, dan otot polos.

Jaringan otot rangka terutama melekat pada tulang dan berfungsi menggerakkan bagian-bagian skeleton. Jaringan otot ini tergolong otot bercorak/striated karena pada pengamatan mikroskopik jaringan ini memperlihatkan adanya garis/pita gelap- terang bergantian. Jaringan otot rangka bersifat volunter karena berkontraksi dan berelaksasi di bawah kontrol kesadaran.

Jaringan otot jantung juga tergolong otot

bercorak tetapi kontraksinya tidak di bawah

kontrol kesadaran.

(2)

GAMBARAN HISTOLOGIK UMUM JARINGAN OTOT RANGKA

Gambaran histologik umum jaringan otot rangka memperlihatkan tiga komponen dasar yang menyusun otot rangka, yaitu:

jaringan ikat, jaringan otot, dan sistem membran.

Komponen jaringan ikat terdiri atas (dari luar ke dalam) fasia superfisialis, fasia profunda, epimisium, perimisium, dan endomisium.

Gambaran histologik jaringan otot rangka memperlihatkan beratus-ratus sampai beribu-ribu serat panjang, berbentuk silindrik, yang disebut serat otot (fiber). Serat otot terletak sejajar satu dengan lainnya. Diameter serat berkisar 10- 100 µm dan panjang 100 µm, tetapi dapat mencapai 30 cm. Serat otot rangka berasal dari fusi banyak sel kecil semasa embrio;

oleh karena itu setiap serat otot mempunyai banyak inti. Inti terletak di tepi, tepat di bawah sarkolema, bebas dari elemen kontraktil (Gambar 1). Mitokondria terletak dalam deretan di seluruh serat otot, berdekatan dengan protein otot yang menggunakan ATP untuk kontraksi (Gambar 2). Secara mikoskopik dengan pembesaran tinggi pada sarkoplasma terlihat adanya benang-benang halus yang disebut miofibril, terletak memanjang dan tersusun sedemikian rupa sehingga memperlihatkan pita gelap terang bergantian; hal ini yang menyebabkan serat otot tampak bercorak garis melintang.

Sistem membran terdiri dari sarkolema, tubulus transversal/tubulus T, dan retikulum sarkoplasma .

SISTEM MEMBRAN

Sarkolema merupakan membran plasma dari serat otot yang membungkus sarkoplasma. Sarkolema serat otot rangka tersusun oleh plasmalema dan membran basalis, sedangkan membran basalis sendiri terdiri dari lamina basalis dan lamina retikularis; oleh karena itu sarkolema disebut juga trilaminar cell membrane.

Gambar 1. Gambaran mikroskopik dan gambaran skematik jaringan otot rangka.

Tampak corak bergaris melintang baik pada gambaran mikroskopik maupun skematik.

Sumber: Mescher AL, 2010.⁹

Tubulus T (TT) merupakan invaginasi sarkolema, yang memungkinkan TT berhubungan dengan luar serat (ekstrasel).

TT menembus serat otot secara vertikal terhadap RS dan miofilamen. Pada membran TT terdapat reseptor dihidro- piridin yaitu suatu voltage gated calcium channel. Pada kedua sisi TT terdapat sisterna terminalis yaitu pelebaran ujung RS. Tubulus T dan kedua sisterna terminalis disebut triad (Gambar 2).

Retikulum sarkoplama (RS) merupakan sistem membran intrasel, berisi cairan, yang melingkari setiap miofibril (Gambar 2). RS merupakan bentuk khusus retikulum endoplasmik yangberfungsi antara lain untuk menyimpan ion Ca

²⁺

. Pada RS terekspresi tiga jenis protein:

sarco/endoplasmic Ca

²⁺

-ATPase (SERCA),

reseptor rianodin (saluran pelepas Ca

²⁺

,

(3)

Ca

²⁺

release channel) dan calsequestrin (protein pengikat Ca

²⁺

). Pada otot rangka manusia, triad terdapat pada tepi miofibril, terletak pada batas pita A dan I. Membran TT dan sistena terminalis dipisahkan oleh

suatu celah. Merentang pada celah tersebut terdapat struktur yang disebut kaki (junctional feet) yang merupakan saluran pelepas Ca

²⁺

dari RS (reseptor rianodin) (Gambar 3).

Gambar 2. Organisasi triad dan sarkomer pada otot rangka. Triad terletak pada batas pita A dan I, yang memungkinkan pelepasan segera dari ion Ca²⁺ dari sisterna terminalis RS tepat pada daerah dimana interaksi filamen tebal dan tipis dapat menghasilkan pemendekan sarkomer. Mitokondria tampak di tepi miofibril. Sumber: Gartner LP, Hiatt JL, 2007.⁵

MIOFIBRIL, MIOFILAMEN, DAN PROTEIN KONTRAKTIL

Miofibril merupakan elemen kontraktil jaringan otot rangka, berdiameter 1-2 µm, dan terdiri dari struktur yang lebih halus lagi yaitu miofilamen/filamen. Terdapat tiga jenis filamen yaitu filamen tebal, filamen tipis, dan filamen elastin. Pada miofibril, filamen tersusun dalam bentuk sarkomer. Sarkomer dibatasi oleh dua garis/lempeng Z. Pada sebuah sarkomer terdapat daerah gelap yaitu pita A (anisotropik) yang dibentuk oleh filamen tebal dan sebagian filamen tipis sebelah menyebelah. Daerah yang lebih terang yaitu pita I (isotropik) dibentuk oleh bagian sisa filamen tipis, tanpa filamen tebal. Garis Z melewati titik tengah pita I. Pada tengah pita A terdapat daerah yang lebih terang, zone H, yang dibagi dua oleh garis M

(Gambar 4A).

Terdapat dua jenis protein kontraktil otot yaitu miosin dan aktin. Filamen tebal

terutama tersusun oleh miosin sedangkan filamen tipis terutama oleh aktin. Bagian ekor miosin menuju garis M di tengah sarkomer. Kepala miosin yang membentuk jembatan silang (cross bridge) akan menuju filamen tipis pada saat kontraksi. Bagian- bagian batang miosin terletak sejajar, membentuk badan filamen tebal. Tonjolan kepala miosin dari batang filamen tersusun dalam bentuk spiral (Gambar 4A, C, D).

Filamen tipis tersusun oleh aktin dan

dua jenis protein regulator yaitu

tropomiosin dan troponin. Molekul aktin

berbentuk ginjal, bergabung membentuk

satu rantai filamen aktin, yang berpilin

seperti spiral ganda. Pada setiap molekul

aktin terdapat tempat pengikat miosin

(tempat aktif) dimana akan melekat

jembatan silang (kepala miosin). Dalam

keadaan relaksasi otot, tropomiosin

menutupi tempat pengikat miosin pada

aktin sehingga menghambat perlekatan

jembatan silang (Gambar 4 A, C).

(4)

Transpor ion ini melalui membran RS diatur oleh dua molekul: reseptor rianodin dan Ca

⁺²

-ATPase. Sinyal pelepasan ion Ca

²⁺

diawali oleh adanya depolarisasi membran sarkolema yang dihantarkan ke TT. Aksi potensial akan meluas ke RS melalui struktur kaki pada daerah triad dan memicu pelepasan ion Ca

²⁺

dari RS melalui saluran pelepas Ca

²⁺

ke sarkoplasma di sekitar miofilamen tebal dan tipis.

Gambar 3. Gambar skematis daerah triad.

Tampak tubulus T yang merupakan lanjutan sarkolema (berhubungan dengan ruang ekstrasel), struktur kaki (foot region), dan retikulum sarkoplasma. Sumber: McPherson PS, Campbell KP, 1993.⁸

HISTOFISIOLOGI KONTRAKSI DAN RELAKSAASI OTOT

Mekanisme kontraksi otot yang dianut sekarang ialah sliding filament mechanism yang dikemukakan oleh Jean Hanson dan Hugh Huxley tahun 1950. Pada kontraksi otot terjadi pergeseran miofilamen tebal dan tipis serta pemendekan sarkomer dan serat otot, tetapi tidak terjadi pemendekan miofilamen (Gambar 4A).

Pada saat akan dimulainya kontraksi otot rangka, ion Ca

²⁺

dilepaskan ke dalam sarkoplasma melalui saluran pelepas Ca

²⁺

(reeptor rianodin) dan akan secara efisien ditranspor kembali ke dalam RS oleh kerja SERCA pada membran RS saat relaksasi otot. RS akan menyimpan Ca

²⁺

yang terikat pada protein calsequestrin. Oleh karena Ca

²⁺

didaur ulang sedemikian efisien maka pada kontraksi otot rangka (short term) tidak diperlukan Ca

²⁺

ekstrasel.

RS otot rangka merupakan tempat penyimpanan ion Ca

²⁺

dalam jumlah besar.

Gambar 4. Sarkomer dan komponennya. A) Molekul miosin yang tersusun antiparalel. B) Potongan melintang sarkomert pada daerah- daerah tertentu. C) Miofilamen tipis dan tebal.

D) Molekul miosin II. Sumber: Gartner LP, Hiatt JL, 2007.⁵

(5)

Pada relaksasi otot terjadi penguraian asetilkolin sehingga aksi potensial terhenti.

Kerja pompa transpor aktif Ca

²⁺

memasukkan ion Ca

²⁺

ke dalam RS.

Saluran pelepas Ca

²⁺

pada RS tertutup.

Dengan turunnya konsentrasi Ca

²⁺

sarkoplasma maka ikatan i9on ini dengan troponinC terlepas, kompleks tropomiosin- troponin kembali ke posisi semula menutupi tempat aktif pada aktin. Jembatan silang tidak terbentuk dan filamen tipis kembali ke tempat semula.

Gambar 5. Kontraksi otot yang diawali oleh terikatnya Ca²⁺ ke troponin C. Kepala miosin berikatan dengan aktin dan terjadi hidrolisis ATP menjadi ADP yang menghasilkan energi, dan pergerakan kepala miosin Terjadi tumpang tindih miofilamen sehingga sarkomer memendek yang menghasilkan kontraksi otot.

Sumber: Junqueira LC, Carneiro J, 2005.⁶

Bila ion Ca

²⁺

terikat pada troponin C, terjadi perubahan konfigurasi filamen tipis dan tempat aktif pada aktin terbuka sehingga aktin dapat berikatan dengan miosin melalui jembatan silang (cross bridge) (Gambar 5).

Pada kepala miosin terdapat enzim ATP-ase yang menghidrolisis ATP menjadi ADP dan P. Reaksi ini memindahkan energi dari ATP ke kepala miosin sehingga kepala miosin secara spontan berikatan dengan tempat aktif pada aktin, yang menghasilkan power stroke kontraksi.

Filamen tipis meluncur melewati filamen tebal menuju zone H sehingga terjadi pemendekan sarkomer dan serat otot.

SIMPULAN

Jaringan otot rangka tersusun atas serat-serat otot yang berjalan sejajar dengan miofibrilnya yang terdiri atas unit kontraktil yang lebih kecil yaitu miofilamen tebal dan tipis. Sistem membran terdiri atas sarkolema, tubulus T, dan retikulum sarkoplasma beserta sisternanya. Sarkolema merupakan tempat paling awal terjadinya depolarisasi yang dihantarkan ke dalam serat otot melalui tubulus T, struktur kaki pada daerah triad, dan sisterna terminalis yang selanjutnya memicu pelepasan ion Ca

²⁺

dari retikulum sarkoplasma. Ion Ca

²⁺

merupakan kunci pemicu untuk pembentukan jembatan silang yang mengawali suatu kontraksi otot rangka.

DAFTAR PUSTAKA

1. Al-Qusairi L, Laporte J. T-tubule biogenesis and triad formation in skeletal muscle and implication in human diseases. [cited 2014 Oct 3].

Available from:

http://www.skeletalmusclejournal.com/

content/1/1/26

2. Copenhaver WM, Bunge MB. Muscle.

Bailey's Textbook of Histology (Sixteenth Edition). Baltimore:

Williams & Wilkins, 1971.

3. Fawcett DW. Muscular Tissue. A Textbook of Histology (Twelfth Edition). New York: Chapman & Hall, 1994.

4. Ferguson A, Schwartz HW, Armstrong CF. Subunit structure of junctional feet in triads of skeletal muscle: A freeze-

(6)

drying, rotary-shadowing study. The Journal of Cell Biology. 1984;99:1735- 42.

5. Gartner P. Hiatt JL. Muscle. Color Textbook of Histology (Third Edition).

Philadelphia: Saunders Elsevier, 2007.

6. Junqueira LC, Carneiro J. Muscle Tissue.

Basic Histology Text & Atlas (Seventh Edition). New York, McGraw-Hill, 2005.

7. Leeson RC, Leeson TS, Paparo AA.

Muscle. Textbook of Histology (Fifth Edition). Philadelphia: WB Saunders, 1985.

8. McPherson PS, Campbell KP. The ryanodine receptor/Ca²⁺ release channel. The Journal of Biological Chemistry. 1993;268:19.

9. Mescher AL. Muscle tissue. Junqueira’s Basic Histology Text & Atlas (Twelfth Edition). New York: Mc GrawHill, 2010.

10. Ross MH, Wojciech P. Muscle tissue.

Histology A Text and Atlas with Correlated Cell and Molecular Biology (Sixth Edition). Philadelphia:

Lippincott Williams & Wilkins Wolters Kluwer, 2011.

11. Saito A, Inui M, Radermacher M, Frank J, Fleischer S. Ultrastructure of the calcium release channel of sarcoplasmic reticulum. The Journal of Cell Biology.

1998;107:211-9.

12. Stokes DL, Wagenknecht T. Calcium transport across the sarcoplasmic reticulum. Structure and function of Ca²⁺-ATPase and the ryanodine receptor. Eur J Biochem. 2000;

267:5274-9.

13. Tortora GJ, Derrickson B. Muscular tissue. Principles of Anatomy &

Physiology (Thirteenth Edition).

Danvers: John Wiley & Sons Inc, 2012.

(7)

Article Review

| e-ISSN: 2715-6419 95

https://doi.org/10.24123/kesdok.v1i2.2566

Penyakit Jantung Koroner dan Antioksidan

Winnie Nirmala Santosa

¹

*, Baharuddin

¹

1 Fakultas Kedokteran, Universitas Surabaya, Surabaya-Indonesia

* corresponding author: [email protected]

Abstract—Coronary heart disease (CHD), one of the cardiac diseases, is caused mainly due to the narrowing of the coronary arteries because of atherosclerosis or spasm or a combination of both. Coronary heart disease is one disease that is scary and is still a problem in both developed and developing countries. The oxidative stress originates mainly in mitochondria from reactive oxygen and reactive nitrogen species (ROS/RNS) and can be identified in most of the key steps in the pathophysiology of atherosclerosis and the consequential clinical manifestations of cardiovascular disease. Treatment of coronary heart disease is by pharmacological treatment and non-pharmacological therapy. One way of non-pharmacological therapy is to eat antioxidants.

Several studies have shown that eating antioxidants can reduce LDL oxidation and play a role in inhibiting the process of hardening the arteries.

Keywords: antioxidant, coronary heart disease, oxidative stress

Abstrak—Penyakit jantung koroner (PJK) merupakan salah satu penyakit jantung mematikan. Penyebab utama terjadinya penyakit ini adalah penyempitan arteri koronaria. Penyempitan terjadi karena adanya kondisi aterosklerosis atau spasme maupun kombinasi dari keduanya. Penyakit jantung koroner masih menjadi masalah utama baik di negara maju maupun negara berkembang. Kejadian ini dipicu oleh stres oksidatif terutama di mitokondria. Adanya oksigen reaktif dan spesies nitrogen reaktif (ROS / RNS) dan dapat diidentifikasi dalam sebagian besar merupakan kunci dalam patofisiologi aterosklerosis dan manifestasi klinis konsekuensial dari penyakit kardiovaskular. Pengobatan penyakit jantung koroner adalah dengan pengobatan farmakologis dan terapi non-farmakologis. Salah satu cara terapi non-farmakologis adalah dengan mengkonsumsi antioksidan. Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa penggunaan antioksidan dapat mengurangi oksidasi LDL dan menghambat proses pengerasan pembuluh darah.

Kata kunci: antioksidan, penyakit jantung coroner, stress oksidatif

PENDAHULUAN

Penyakit jantung koroner (PJK) adalah salah satu penyebab kematian utama di negara- negara maju [1]. WHO mencatat pada tahun 2006, angka kematian penyakit oleh kardiovaskular sejumlah 17,5 juta. Angka ini terutama pada penyakit jantung koroner, stroke, dan penyakit jantung rematik. Jumlah kematian ini mengalami peningkatan dari angka 14,4 juta pada tahun 1990 [2]. Kematian ini banyak terjadi dengan serangan jantung tiba-tiba dan tanpa ada gejala apapun sebelumnya [3]. Penyakit jantung koroner termasuk penyakit yang membahayakan karena berada pada sistem sistemik [4].

Pada penyakit jantung koroner, penyakit serebrovaskular dan penyakit arteri perifer, dapat mengakibatkan gangguan fungsi pembuluh darah. Kondisi ini dapat berakibat pada pasokan darah yang tidak cukup ke organ [4]. Ada beberapa faktor risiko yang mengakibatkan penyakit pembuluh darah. Beberapa diantaranya adalah merokok, gaya hidup pola makan yang tidak sehat, aktivitas fisik yang kurang, tekanan darah tinggi, diabetes dan dislipidemia.

Namun, terdapat juga faktor lain yang turut berpengaruh seperti faktor genetik dan lingkungan.

Penyakit Jantung Koroner

Proses PJK dimulai dengan proses arterosklerosis. Aterosklerosis adalah proses kompleks yang melibatkan pengendapan lipoprotein plasma dan proliferasi elemen seluler di dinding arteri. Kondisi kronis ini berkembang melalui serangkaian tahap yang dimulai dengan fatty streaks (kerak lemak) yang sebagian besar terdiri dari pembentukan foam cell (sel busa) dan akhirnya berkembang menjadi timbunan plak yang ditutupi oleh fibrous cap (lesi jaringan ikat) [5]. Plak ini memberikan penghalang untuk aliran darah arteri dan dapat memicu peristiwa klinis, terutama dalam kondisi yang mendukung ruptur plak dan pembentukan trombus.

(8)

| e-ISSN: 2715-6419 96

Lemak terdiri atas unsur karbon (C), hidrogen (H), dan oksigen (O2 ) dan memiliki sifat yang larut dalam zat-zat pelarut tertentu. Seperti petroleum benzene dan eter [6][8]. Lemak dalam makanan dapat berubah menjadi kolesterol, trigliserida, fosfolipid, dan asam lemak bebas. Pada saat dicerna oleh usus dengan lipase dan kemudian diserap agar masuk ke dalam pembuluh darah. Terdapat juga kolesterol, trigliserida dan fosfolipid yang tidak larut dalam darah sehingga diperlukan ikatan dengan protein untuk membentuk senyawa yang larut, protein ini disebut dengan lipoprotein [6][8].

Terdapat lipoprotein yang berfungsi mengangkut lemak menuju hati disebut dengan kilomikron. Pada organ hati, ikatan lemak tersebut akan terurai dan membentuk kembali unsur-unsur lemak yang ada dan asam lemak yang terbentuk dapat dipakai sebagai sumber energi, kadang juga jika masih terdapat jumlah yang berlebih akan disimpan dalam jaringan lemak. Jika sediaan kolesterol tidak mencukupi, akan diproduksi oleh sel hati. Dari organ hati, low density lipoprotein (LDL) mengangkut kolesterol kemudian dibawa ke sel-sel organ seperti jantung, otak dan lain-lain yang memerlukan untuk dapat berfungsi sebagaimana mestinya [6].

Secara endogen, kolesterol dapat disintesis melalui asetil Ko-A dengan menggunakan Sterol Regulatory Elemen Binding Protein (SREBP-1) dan akan diserap bersama lemak (trigliserida) melalui suatu senyawa protein yang disebut dengan kilomikron. Trigliserida dan kolesterol dilepaskan oleh kilomikron dengan cara meminta bantuan enzim lipoprotein lipase.

Enzim ini terdapat dalam pembuluh darah [8].

Setelah dilepaskan, pada hati terjadi kilomikron berubah menjadi kilomikron remnant untuk menjadi VLDL. VLDL disintesis di hati dan berfungsi membawa kolesterol makanan dan Triasilgliserol (TAG) ke pembuluh darah di jaringan otot & adipose. Jadi, tempat tujuan VLDL pada endotel kapiler jaringan otot dan adipose. VLDL mengalami hidrolisis oleh lipoprotein lipase (LPL) dan degradasi menjadi Intermediate Density Lipoprotein (IDL) lalu LDL [8].

Triasilgliserol VLDL diuraikan lipoprotein lipase (LPL) menjadi IDL selanjutnya di endositosis hati (triasilgliserol lipase) hati menjadi LDL. Struktur LDL merupakan lipoprotein dengan karakteristik kandungan penyusun utama berupa kolesterol dan memiliki fungsi mengangkut kolesterol ke hati dan esterkolesteril ke jaringan ekstrahepatik. Proses LDL terdapat di hati sekitar 70% dan di jaringan ekstrahepatik sekitar 30%. Pengambilan kolesterol LDL diserap melalui endositosis kolesterol diubah menjadi ester kolesterol. LDL berfungsi memelihara membran sel, penyimpanan kolesterol sebagai ester kolesterol, menekan pembentukan HMG-KoA reduktase dan sintesis reseptor LDL. LDL juga dengan mudah mengendap dan teroksidasi dengan senyawa radikal [8]. Inilah yang mengakibatkan terjadinya peyumbatan.

Penyumbatan pembuluh darah tersering dan perlu diwaspadai adanya kadar kolesterol yang tinggi, terlebih lagi terdapat kadar kolesterol LDL yang tinggi, yang dikenal sebagai “lemak jahat” [9,10].

Inflamasi dalam banyak penelitian terbukti berperan penting dalam setiap tahapan proses aterosklerosis. Proses aterosklerosis berawal dari proses inisiasi sampai tahap lanjut hingga terjadinya ruptur plak. Proses ini yang dapat menimbulkan komplikasi penyakit kardiovaskular. Aterosklerosis dikatakan sebagai suatu penyakit inflamasi disebabkan hasil proses inflamasi dari sel yang berperan berupa makrofag yang berasal dari monosit dan limfosit [9]. Fase pembentukan aterosklerosis terdiri atas fase awal yaitu terjadi akumulasi dan modifikasi lipid (oksidasi, agregasi, dan proteolisis) dalam dinding arteri yang dapat mengakibatkan aktivasi inflamasi endotel dan pada fase selanjutnya terjadi pemilihan elemen–

elemen inflamasi seperti monosit yang awalnya menempel pada endotel ke dalam tunika intima.

Endotel yang menempel ini diperantarai oleh beberapa molekul adhesi, yaitu Inter Cellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1), Vascular Cell Adhesion Molecule-1 (VCAM-1), dan selectin. Beberapa faktor yang mengatur molekul adhesi, yaitu produk bakteri lipopolisakarida, prostaglandin, dan sitokin. Monosit setelah berikatan dengan endotel akan berpenetrasi ke lapisan yang lebih dalam dibawah lapisan intima. Dinding arteri yang dimasuki oleh monosit-

(9)

| e-ISSN: 2715-6419 97

monosit mengakibatkan monosit berubah menjadi makrofag dan menghancurkan LDL yang telah dioksidasi melalui reseptor scavenger [9].

Pembentukan sel busa (foam cell) dihasilkan dari fagositosis yang kemudian berlanjut menjadi fatty streaks. Aktivasi ini menghasilkan sitokin dan faktor-faktor pertumbuhan yang akan merangsang proliferasi dan migrasi sel-sel otot polos. Migrasi ini terjadidari tunika media ke tunika intima. Kondisi ini mengakibatkan pula penumpukan molekul matriks ekstraselular, seperti elastin dan kolagen, yang mengakibatkan plak membesar dan terbentuk fibrous cap.

Pada tahap ini proses aterosklerosis sudah sampai pada kondisi membahayakan karena telah ada plak aterosklerotik. Pembentukan plak aterosklerotik akan menyebabkan lumen arteri menyempit. Pada akhirnya terjadi pengurangan aliran darah [9,11].

Setelah terjadi ruptur plak aterosklerosis, platelet yang aktif dan jalur koagulasi, kemudian akan terjadi trombosis. Proses trombogenik terjadi ketika plak tersebut pecah, robek, atau terjadi perdarahan subendotel. Hal ini dapat menyumbat sebagian atau keseluruhan suatu arteri koroner. Keadaan ini yang dapat menimbulkan gejala klinik seperti angina atau infark miokard. Kejadian aterosklerosis ini dapat stabil, akan tetapi dapat juga progresif. Kondisi progresif yang parah dapat menyebabkan kematian. Konsekuensi yang progresif ini dikenal juga dengan sindroma koroner akut [9,10].

Penyakit jantung koroner dan stres oksidatif

Stres oksidatif adalah kondisi radikal bebas atau prooksidan yang lebih tinggi dibandingkan antioksidan. Artinya terjadi ketidakseimbangan jumlah oksidan di dalam sel. Hal ini dipicu oleh kurangnya antioksidan serta kelebihan produksi radikal bebas [11]. Radikal bebas ini dapat berasal dari metabolisme dan lingkungan.

Secara umum disfungsi jantung, penyakit kardiovaskular, apoptosis dan nekrosis jantung dapat diakibatkan oleh radikal bebas atau reactive oxygen species (ROS) dan hiperlipidemia. Dalam sistem kardiovaskular, ROS dapat menyebabkan hipertrofi pada sel otot polos dan dinding arteri, kerusakan sel kardiomiosit, apoptosis dan kerusakan miokard. Hal ini dapat terjadi dan dikaitkan dengan peningkatan denyut jantung serta kenaikan tekanan darah sistolik [13].

Salah satu ROS terpenting dalam pembuluh darah dan jantung adalah superoksida (O2 ), hidrogen peroksida (H2 O2 ), dan oksida nitrat (NO) [12]. Reaksi ini dimediasi oleh beberapa sistem enzim termasuk NADPH oksidase dan xanthine oxidase (XO). Meskipun O2 -

bisa dengan sendirinya memberikan efek pada fungsi vaskular, itu juga penting dalam menghasilkan spesies reaktif lainnya. Reaksi O2- dengan NO menghasilkan peroxynitrite dan berpotensi yang merusak ROS. Dismutase O2- oleh superoksida dismutase (SOD) menghasilkan ROS yang lebih stabil, hidrogen peroksida (H2 O2 ) yang kemudian diubah secara enzimatik menjadi H2 O oleh katalase dan glutathione peroxidase (GPx). H2 O2 bisa juga bereaksi dengan logam transisi yang dikurangi untuk dikonversi menjadi radikal hidroksil yang sangat reaktif (·OH), atau bisa juga dimetabolisme oleh myeloperoxidase (MPO) untuk membentuk asam hipoklorus (HOCl). Hampir semua jenis sel vaskular menghasilkan O2^- dan H2 O2 [13].

Beberapa sistem enzimatik menghasilkan O2^- dan turunannya di pembuluh darah, termasuk NADPH oksidase, XO, nitrat oksida sintase (NOS), dan myeloperoxidase (MPO).

NADPH oksidase sangat penting dalam fungsi vaskular karena respons terhadap berbagai macam agonis, seperti angiotensin (Ang) II. Aktivasi enzim terjadi dalam jangka pendek dengan stimulasi intraseluler spesifik signals dan dalam jangka panjang dengan upregulation dari subunit enzim. Bahkan konsentrasi Ang II rendah (0,1 nmol/L) meningkatkan NADPH oksidase, penurunan ROS menunjukkan bahwa sistem enzim ini penting secara fisiologis. NADPH oksidase juga sebagai penentu penting dari keadaan redoks pembuluh darah dan miokardium [14].

Xanthine Oxidase (XO) memetabolisme hipoksantin, xanthine, dan NADPH untuk membentuk O2 - dan H2 O2 . ROS yang dihasilkan XO telah terlibat dalam berbagai entitas patologi klinik, termasuk cedera iskemia/ reperfusi, hiperkolesterolemia dan disfungsi endotel

(10)

| e-ISSN: 2715-6419 98

pada gagal jantung kronis. MPO melimpah di fagosit dan mengkatalisasi H2 O2 menghasilkan HOCl dan spesies pengoksidasi lainnya, juga menggunakan NO untuk menghasilkan spesies nitrogen reaktif, dengan demikian mengurangi bioaktivitas NO dan meningkatkan stres oksidatif [15].

Efek antioksidan dan penyakit jantung coroner

Untuk mencegah kerusakan sel akibat radikal bebas, tubuh manusia memiliki mekanisme pertahanan intrinsik yang dikenal sebagai sistem antioksidan. Pembentukan oksidan dan peroksidasi lipid dapat dicegah dengan antioksidan dengan memberikan perlindungan kepada LDL dari proses oksidasi. Antioksidan ini memiliki reaksi terminasi yaitu dengan cara menangkap radikal hidroksil (*OH) pada tahap reaksi peroksidasi lemak, protein atau molekul lainnya pada membran sel normal. Antioksidan juga dapat melindungi jaringan dari kerusakan akibat ROS [17].

Dalam sel tubuh terdapat antioksidan yang diproduksi secara alami biasanya terdapat dalam bentuk antioksidan yang enzimatik maupun nonezimatik dan memiliki fungsi sebagai pertahanan bagi organel-organel sel dari pengaruh kerusakan akibat reaksi radikal bebas [16].

Antioksidan enzimatik disebut juga antioksidan pencegah, terdiri atas superoksid dismutase (SOD), katalase, dan glutathione peroxidase [17].

Enzim antioksidan mengatalisis pemecahan spesies radikal biasanya di lingkungan intraseluler. Antioksidan preventif mengikat ion logam transisi seperti besi dan tembaga, mencegah interaksi dengan hidrogen peroksida dan superoksida untuk menghasilkan radikal hidroksil yang sangat reaktif. Antioksidan adalah donor elektron yang kuat dan bereaksi istimewa dengan radikal bebas sebelum molekul target yang lebih penting rusak. Dalam melakukan itu antioksidan dikurangi (teroksidasi) dan harus diregenerasi atau diganti.

Antioksidan radikal relatif tidak reaktif dan tidak mampu menyerang lebih jauh molekul [17].

Gambar 1. Interaksi radikal bebas dan antioksidan [18].

Di sisi lain, antioksidan nonenzimatik disebut juga antioksidan pemecah rantai yang berasal dari α-tokoferol (vitamin E), β-carotene (vitamin A), askorbat (vitamin C), glutathione, estrogen, L- tyrosine, L- cysteine, NADPH, ferritin dan albumin [18]. Berbagai fungsi vitamin C dapat mendukung hipotesis bahwa vitamin C dapat mengurangi risiko kardiovaskular. Vitamin C (L-asam askorbat) merupakan antioksidan yang ampuh dikenal untuk melindungi jaringan dari cedera oksidatif [19]. Vitamin C juga dapat meningkatkan fungsi jantung, meningkatkan perlindungan jantung selama perbaikan miokardial, menghambat apoptosis sel endotel pada gagal jantung kongestif, menurunkan tekanan darah diastolik, dan meningkatkan vasorelaksasi

(11)

| e-ISSN: 2715-6419 99

endothelium. Vitamin C juga telah terbukti mengurangi adhesi monosit ke endotelium, meningkatkan produksi oksida nitrat dari endotelium, meningkatkan vasodilatasi dan menurunkan tekanan darah. Selanjutnya, vitamin C dapat mencegah apoptosis sel otot polos pembuluh darah, yang membantu menjaga plak lebih stabil jika aterosklerosis telah berkembang dan melindungi sel otot polos pembuluh darah manusia terhadap adaptasi LDL terinduksi teroksidasi peningkatan sintesis antioksidan intraseluler glutathione [20].

SIMPULAN

Strategi dalam menangani kondisi penyakit jantung koroner melalui pemberian antioksidan sampai saat ini masih kurang mendapat perhatian. Review ini mencoba memberikan penjelasan ilmiah terkait hubungan antara penyakit jantung koroner dan konsumsi antioksidan. Antioksidan ini berpotensi sebagai terapi pendukung dalam mengatasi kondisi penyakit jantung koroner sekaligus dapat mengurangi munculnya komplikasi. Pada akhirnya dapat menekan tingginya angka morbiditas dan mortalitas akibat penyakit jantung koroner.

PUSTAKA ACUAN

1. Murray C, Lopez AD. 1997. Mortality by cause for eight regions of the world: Global Burden of Disease Study. Lancet 349:1269–76.

2. World Health Organization; 2006 [diakses tanggal2 April 2016]. Tersedia dari:

www.who.int/cardiovascular_diseases/cvd_14_deathHD.pdf

3. Davidson, C. 2002. Penyakit jantung koroner. Jakarta: PT Dian Rakyat.

4. World Health Organization. Cardiovascular diseases (CVDs). 2013. Available from:

URL:http: //www.who.int/mediacentre/ factsheets/fs317/en/index.html

5. Ross R. 1993. The pathogenesis of atherosclerosis: a perspective for the 1990s. Nature. 362:801–809.

6. Okada, T., Hara, M., E. Saitou, F. Iwata, dan K. Harada. Waist-to-height ratio is the best predictor of cardiovaskular disease risk factor on Japanese children. J. Atheroscler.

Thromb. 2007. 9 (3):127-132.

7. Soeharto I. 2002. Kolesterol dan lemak jahat kolesterol, lemak baik dan proses terjadinya serangan jantung dan stroke. Cetakan kedua. Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama.

8. Maulana, M. 2008. Penyakit Jantung: Pengertian, Penanganan dan Pengobatan.Yogyakarta: Penerbit Kata Hati.

9. Anwar TB. 2004. Faktor risiko penyakit jantung koroner. Sumatera Utara: E-USU Repository.

10. Scalzo J, Politi A, Pellegrini N, Mezzetti B, Battino M. 2005. Plant genotype affects total antioxidant capacity and phenolic contents in fruit. Nutrition. 21(2):207-13.

11. Baigent C, Keech A, Kearney P, et al. Atherosclerosis[internet]. USA: American Heart Association; 2013 [diakses tanggal 2 April 2016]. Tersedia dari:

http://www.heart.org/HEARTORG/Conditions/Cholesterol/WhyCholesterolMatters/Ath erosclerosis_UCM_305564_Article.jsp

12. Benhar M, Engelberg D, Levitski A. 2002. Reactive oxygen species (ROS), stress-activated kinases, and stress signaling in cancer. EMBO reports. 3(5):420-5.

13. Cooper GM, Hausman RE. The cell a molecular approach. Washington: ASM Press; 2003.

14. Taniyama Y and Griendling KK. Reactive Oxygen Species in the Vasculature: Molecular and Cellular Mechanisms. Hypertension. 2003; 42:1075-1081.

15. Griendling KK, Sorescu D, Ushio-Fukai M. NADPH oxidase: role in cardiovascular biology and disease. Circ Res 2000;86:494–501.

16. Landmesser U, Merten R, Spiekermann S, Buttner K, Drexler H, Hornig B. 2000. Vascular extracellular superoxide dismutase activity in patients with coronary artery disease:

relation to endothelium-dependent vasodilation. Circulation 101:2264–2270.

(12)

| e-ISSN: 2715-6419 100

17. Evans JL, Goldfine ID, Maddux BA dan Grdsky GM, 2003. Are Oxidative Stress Activated Signaling Pathways Mediators Of Insulin Resistance And Cell Dysfunction?, Diabetes; vol.

52, no. 1:1-8.

18. Marciniak A, Brzeszczynska J, Gwozdzinski K, Jegier A, 2009. Antioxidant Capacity and Physical Exercise. Biology of Sport, Vol. 26 No3, 197-213.

19. Lee IM, 1999. Antioxidant vitamins in the prevention of cancer. Proc Assoc Am Physicians; 111: 10–5.

20. Frei B, 1999. On the role of vitamin C and other antioxidants in atherogenesis and vascular dysfunction. Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 222, 196–204.

21. Shapiro SS, Saliou C, 2001. Role of vitamins in skincare. Nutrition [homepage on the Internet cited: 2012 Jan 13]. Available from: http://dexa-medica.com.

(13)

AD V A N C E D R E V I E W

Skeletal muscle: A review of molecular structure and function, in health and disease

Kavitha Mukund

¹

| Shankar Subramaniam

^2,3,4

1Department of Bioengineering, University of California, San Diego, California

2Department of Bioengineering, Bioinformatics & Systems Biology, University of California, San Diego, California

3Department of Computer Science and Engineering, University of California, San Diego, California

4Department of Cellular and Molecular Medicine and Nanoengineering, University of California, San Diego, California Correspondence

Shankar Subramaniam, Department of Bioengineering, Bioinformatics & Systems Biology, University of California, San Diego, CA.

Email: [email protected] Funding information

National Institutes of Health, Grant/Award Numbers: R01 DK109365, R01 HD084633, R01 HL106579, R01 HL108735, R01 LM012595, U01 CA198941, U01 CA200147, U01 DK097430, U19 AI090023, U2C DK119886; National Science Foundation, Grant/Award Number:

STC-0939370

Abstract

Decades of research in skeletal muscle physiology have provided multiscale insights into the structural and functional complexity of this important anatomical tissue, designed to accomplish the task of generating contraction, force and move- ment. Skeletal muscle can be viewed as a biomechanical device with various interacting components including the autonomic nerves for impulse transmission, vasculature for efficient oxygenation, and embedded regulatory and metabolic machinery for maintaining cellular homeostasis. The “omics” revolution has pro- pelled a new era in muscle research, allowing us to discern minute details of molec-

ular cross-talk required for effective coordination between the myriad interacting components for efficient muscle function. The objective of this review is to provide a systems-level, comprehensive mapping the molecular mechanisms underlying skeletal muscle structure and function, in health and disease. We begin this review with a focus on molecular mechanisms underlying muscle tissue development (myogenesis), with an emphasis on satellite cells and muscle regeneration. We next review the molecular structure and mechanisms underlying the many structural components of the muscle: neuromuscular junction, sarcomere, cytoskeleton, extracellular matrix, and vasculature surrounding muscle. We highlight aberrant molecular mechanisms and their possible clinical or pathophysiological relevance. We particularly emphasize the impact of environmental stressors (inflammation and oxidative stress) in contributing to muscle pathophysiology including atrophy, hypertrophy, and fibrosis.

This article is categorized under:

Physiology > Mammalian Physiology in Health and Disease

Developmental Biology > Developmental Processes in Health and Disease Models of Systems Properties and Processes > Cellular Models

K E YW OR DS

molecular mechanisms, molecular structure, muscle health and disease, muscle physiology, skeletal muscle

This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

(14)

1 | INTRODUCTION

Striated muscle is composed of two major muscle types—skeletal and cardiac. While the cardiac (heart) muscle functionally represents a set of self-stimulating, non-fatiguing muscle cells with an intermediate energy requirement, skeletal muscle represents a set of innervated, voluntary muscle cells that exhibit fatigue with high energy requirements (e.g., muscles of the thigh or forearm). A cursory glance at the cellular structure and molecular cross-talk allows us to appreciate the complexity in com- position, structure and function of striated muscle, designed to accomplish the task of generating contraction, force and move- ment. Briefly, skeletal muscle is a highly organized tissue containing several bundles of muscle fiber (myofibers). Each myofiber (containing several myofibrils), represents a muscle cell with its basic cellular unit called the sarcomere. Bundles of myofibers form the fascicles, and bundles of fascicles form the muscle tissue, with each layer successively encapsulated by the extracellular matrix (ECM; Lieber, 2009) and supported by the cytoskeletal networks. Skeletal muscle is highly vascu- larized and innervated, and embedded with components of the metabolic and regulatory machinery, supporting efficient energy production and cellular homeostasis (Figure 1). Precisely coordinated activity between each of these components is essential for shaping the state of muscular health and associated motor activity. Any perturbations (e.g., genetic or environmental) to this coordination, result in loss of muscle health and function, typically characterized by muscle fiber loss, reduced motor output and in some cases death.

Over the decades, reviews in skeletal muscle research have focused extensively on specific aspects of muscle structure, or function. Our current review focuses on providing a more holistic picture of the various interacting components within skeletal muscle. In this review, we emphasize the idea of viewing the muscle as a biomechanical device requiring the coordination between several factors (or components) both intrinsic (e.g., genetic) and extrinsic (e.g., environmental stressors, circulatory

FIGURE 1 Schematic representation of skeletal muscle fiber—a single mature muscle fiber is shown here as a bundle of myofibrils, encased by the sarcolemma. The sarcoplasmic reticulum enmeshes fibrils with transverse (T) tubules intersecting them. Bundles of myofibers form fascicles,

which further group together to form the muscle tissue. Satellite cells reside along the host muscle fiber, directly above the sarcolemma under the basal lamina of muscle and in proximity of myonuclei. Innervating nerve fibers and local capillaries extend along the length of the muscle fiber.

Each layer is successively encased by the extracellular matrix, not shown here

, 2020, 1, Downloaded from https://wires.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/wsbm.1462 by Nat Prov Indonesia, Wiley Online Library on [15/10/2023]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

(15)

factors, etc.) essential for normal muscle function. Within each of these components, we highlight the necessary molecular cross-talk critical for defining its state. We also highlight instances of aberrant molecular mechanisms leading to disease, thus, bridging muscle research at genomic, molecular and mechanistic level, in health and disease (Figure 2).

This review begins with a focus on muscle tissue “development and regeneration”, outlining the embryological development of muscle, and the role for specific muscle regulatory factors in growth and development (Section 2). We also review satellite cell quiescence and activation that govern muscle regeneration and repair (Section 3). The “structural and functional” aspects of muscle, starting with the three most basic units that drive skeletal muscle contraction, namely

(a) Neuromuscular junction (NMJ) which serves as a junction between nerve and muscle; (b) Machinery involved in excitation–contraction coupling (ECC), which is the process of transduction of electric impulses from nerve to muscle, required to initiate mechanical contraction; and (c) Sarcomere, the contractile apparatus required for force generation are discussed in Sections 4–6. Different muscle fiber types and the effect of exercise on fiber-type remodeling are also presented. We next discuss the ECM which encapsulates the muscle, protecting it (Section 7), and the cytoskeleton, which is necessary for mechanical support, and capable of sustaining muscle's rapid contraction and relaxation cycles (Section 8).

We discuss the pathophysiological changes arising in muscle as a response to triggers (such as inflammation, oxidative stress, exercise), specifically, the impact on structural and functional integrity of the muscle, such as fibrosis, hypertrophy and atrophy in Sections 7 and 9. Stress signaling (e.g., due to disease or injury) initiates a host of protective responses including inflammation and oxidative stress and are discussed in Section 10. Carbohydrate metabolism serves as the major energy source required for muscle function. We discuss the basic bioenergetics pathways associated with energy metabolism (glucose and fat) in Section 11, along with a brief introduction to the effect of exercise on metabolism. The dynamics of interaction between molecular actors of immunity and metabolism (immunometabolism) has been recently identified as vital to maintaining the health of skeletal muscle and is also discussed. The vasculature necessary for oxygenation required to sustain muscle is reviewed in Section 12, with a special emphasis on vascular endothelial growth factors (VEGFs). Through the sections, we highlight and emphasize molecular perturbations and clinical manifestations of relevant diseases affecting muscle (italicized in text). Finally, in Section 13, we summarize and highlight common molecular mechanisms underlying a spectrum of muscle disorders, identified in our work previously, and using a network theoretic approach.

FIGURE 2 Components of muscle structure and function—a schematic representation of the various functional components necessary for or arising as a consequence of muscle function, in health and disease. The structure and function of each of these units are discussed in this current review. The arrows identify a one-word description for each of the units and their role in governing normal muscle function

, 2020, 1, Downloaded from https://wires.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/wsbm.1462 by Nat Prov Indonesia, Wiley Online Library on [15/10/2023]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Common

(16)

Research in the past decade has increasingly acknowledged the contribution of noncoding components (e.g., long noncoding RNAs [lncRNAs], small open reading frames [smORFs]) to muscle development and function (Anderson et al., 2015; Andrews & Rothnagel, 2014; Fatica & Bozzoni, 2014; Gonçalves & Armand, 2017; Lim et al., 2018; Nelson et al., 2016; Nie, Deng, Liu, & Wang, 2015). However, it is beyond the scope of our current review and discussed only cursorily.

The complexity in structure and function for each of the 13 units discussed here are immense, with several years of dedicated study by researchers. In this current review, we present a basic list of cellular components and molecular mechanisms for each unit, introducing the reader to the breadth of muscle research. In many instances, we use the more widely used names or symbols for several molecular markers within this review for improved readability. We provide their official gene symbol in Supple- mentary Table 1 for accuracy. The interested reader is directed to outstanding papers, of research and reviews, for in- depth dis- cussions of relevant mechanisms and concepts, within the individual topics discussed here.

2 | MUSCLE EMBRYOLOGICAL DEVELOPMENT AND THE ROLE FOR MUSCLE REGULATORY FACTORS

The positions and identities of cells that will form the three germ layers (ectoderm, mesoderm, and endoderm) are determined early in gestation (S. J. Arnold & Robertson, 2009). The mesoderm is anatomically separated into paraxial, intermediate, and lateral mesoderm, based on the position from the midline/neural tube. Lineage tracing and fate-mapping experiments have identified that embryonically, body skeletal muscle is derived from mesodermal precursor cells originating from the myotome, a somite-derived lineage (Tajbakhsh & Cossu, 1997). Somites are bilaterally paired epithelial clusters that are formed by epi- thelialization of the paraxial mesoderm concomitant with segmentation. The processes of somite formation, segmentation and myogenesis are closely regulated by expression of genes involved directly or indirectly with WNT (von Maltzahn, Chang, Bentzinger, & Rudnicki, 2012), FGF (Pownall & Isaacs, 2010) and the inhibitory NOTCH (Buas & Kadesch, 2010) signaling pathways, in addition to the four myogenic regulatory factors (MRFs, MYOG1, MYOD, MRF4, and MYF5) (Bentzinger, Wang, & Rudnicki, 2012; Pownall, Gustafsson, & Emerson, 2002).

PAX3, a transcription factor, controls migration of muscle precursor cells by regulating LBX1 and cMET (Birchmeier &

Brohmann, 2000). SIX1 and SIX4, two transcription factors are considered to be at the apex of the regulatory cascade that establishes the myogenic lineage of the precursor cells (Bentzinger et al., 2012; Grifone et al., 2005). Myoblasts activate MYF5 and MYOD1, two MRFs that control specification of head, epaxial, hypaxial and limb body muscle progenitors of the vertebrate embryo and mark a commitment to the muscle lineage. MYOD1 expression persists beyond differentiation, while MYF5 ceases during differentiation. Activation of a second wave of MRFs (MYOG and MRF4) induces terminal differentiation of myoblasts into myocytes that additionally express muscle-specific genes such as the contractile proteins of the muscle (myosin, actin, etc.) and muscle creatine kinase. The mononucleated myocytes eventually fuse to form multinucleated, mature, contracting muscle fibers (Figure 3). However, an understanding of specific molecular mechanisms controlling cell fusion of

myocytes to mature myofibers is yet to be achieved. Recently, a minimal “two component program” for the induction of mammalian myocyte fusion comprising of Minion, an essential microprotein and Myomaker, a transmembrane protein (Gamage et al., 2017; Millay et al., 2013; Millay, Sutherland, Bassel-Duby, & Olson, 2014), have been identified as sufficient for fusion (Q. Zhang, Vashisht, O'Rourke, et al., 2017). During the late phase of embryonic myogenesis, a distinct population of somite- derived precursor cells remain in a quiescent undifferentiated state closely associated with myofibers (Lepper & Fan, 2010) and are called (adult) satellite cells (SCs). Many shared components including transcription factors and signaling molecules exist between embryonic myogenesis and muscle regeneration by SC activation in mature skeletal muscle (Tajbakhsh, 2009), as will be seen in the following section detailing SC quiescence, activation and muscle regeneration.

3 | SATELLITE CELLS AND MUSCLE REGENERATION

Regeneration is one of the hallmarks of mature skeletal muscle tissue. Its ability to regenerate is governed significantly by the interaction between SCs (Scharner & Zammit, 2011) (SCs, unipotent muscle precursor cells) and its microenvironment (niche) (Lander, Kimble, Clevers, et al., 2012). Muscle regeneration is a highly orchestrated process, which involves activation and migration of SCs to the site of injury and their proliferation and differentiation into muscle fibers.

SCs represent a population of adult stem cells, mostly derived from PAX3⁺/PAX7⁺ embryonic progenitor cells (Buckingham, 2007), and incorporated into growing fibers during postnatal muscle development. Anatomically, SCs appear wedged between basal lamina (BL), and the sarcolemma, sequestered in a particular microenvironment called the

“niche,”

(17)

FIGURE 3 Expression of markers and pathways involved in stages of quiescence, activation and differentiation of satellite cells. During embryonic development, a portion of the muscle precursor cell population are incorporated into postnatal muscle as quiescent satellite cells which can transform again into muscle precursor cells (myogenic progenitor cells), upon activation. The major molecular markers and pathways that are necessary for transition of satellite cells from quiescent to a differentiated state are identified here. The markers/pathways that are upregulated are shown in green, downregulated in red

within the adult skeletal muscle (Yin, Price, & Rudnicki, 2013). These cells are in a “quiescent”/hibernating state. The BL serves as a scaffold for SCs and functions to limit and orient their migration during injury (Sanes, 2003). BLs present a large number of binding sites for integrins-α7/integrin-β1, which anchor the actin cytoskeleton of SCs to the BL (Blanco-Bose, Yao, Kramer, & Blau, 2001). This tethering also serves to relay extracellular mechanical cues (from myofibers) into intracellu- lar chemical signals (within the SCs) (Boppart, Burkin, & Kaufman, 2006). The niche embedding the SCs is composed of both acellular and cellular components, including growth factors (GFs), ECM proteins, fibroadipogenic progenitors (FAPs), chemokines, and matrix metalloproteinases (MMPs). Beyond the immediate niche, local interstitial cells, motor neurons, vasculature and secreted factors (e.g., see Section 12.1), all have an ability to influence SC activity (Dumont, Wang, & Rudnicki, 2015; Yin et al., 2013).

The SC population is heterogeneous, differing in lineage potential, expression patterns, and myogenic differentiation potential (Kuang, Kuroda, Le Grand, & Rudnicki, 2007). The SC population is maintained uniformly, which however reduces in population density and efficacy with age (Almada & Wagers, 2016). Functional differences in regenerative potential exist between satellite stem cells (never expressed MYF5) and committed myogenic progenitor cells (that have expressed MYF5 at some point in development). Following transplantation, SCs preferentially repopulate the SC niche and contribute to long-term muscle regeneration in a PAX7-dependent manner (Günther et al., 2013).

3.1 | Satellite cell quiescence

Quiescence defines a state of dormancy in adult stem cells, with quiescent SCs (QSCs) exhibiting an ability to rapidly activate, proliferate and differentiate into myofibers upon injury. The QSCs are characterized by the expression of definitive molecular markers, particularly PAX7, and a marked absence of two MRFs, MYOD1 and MYOG (Figure 4). Activation of NOTCH (Bjornson et al., 2012) and WNT signaling is essential for maintaining quiescence in SCs by inhibiting MYOD1 expression and inducing PAX7 (Olguin & Olwin, 2004). Recent work has identified an alternative pathway for NOTCH activation involving FOXO3 in QSCs (Gopinath, Webb, Brunet, & Rando, 2014). Several other molecular markers regulating quiescence have been identified including cell cycle inhibitors such as p21, p27 (Fukada et al., 2007), and DACH1 (which inhibits

, 2020, 1, Downloaded from https://wires.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/wsbm.1462 by Nat Prov Indonesia, Wiley Online Library on [15/10/2023]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Common

(18)

FIGURE 4 Hierarchy of transcription factors regulating myogenic lineage. This figure represents the major transcription factors involved in muscle development and shows their temporal sequence of activation across various stages of myogenesis. Satellite stem cells expressing PAX7 derive from the PAX3/PAX7 expressing progenitors, whereas satellite myogenic cells additionally exhibit an activation of MYF5. Following activation and entrance into the cell cycle, stem cells express MYF5 and MYOD1. Activation of MYOG and MEF2C, with downregulation of MYF5 and later MYOD1 mark the start of terminal differentiation. Activation of MRF4 happens several days after the induction of differentiation, following a reduction in MYOG

cell cycle progression and regulates activity of pro-myogenic SIX1 and SIX4) (Pallafacchina et al., 2010). Skeletal muscle- specific TGFβ family member, myostatin, suppresses SC activation via induction of p21 (McCroskery, Thomas, Maxwell, Sharma, & Kambadur, 2003; Thomas et al., 2000). Retinoblastoma proteins (Carnac et al., 2000; Weinberg, 1995), and activated ID proteins (Benezra, Davis, Lockshon, Turner, & Weintraub, 1990) (particularly ID3; Kumar, Shadrach, Wagers, &

Lassar, 2009) have also been identified as essential markers of QSCs. Activated CALCR, a calcitonin receptor, serves as both a spatial and temporal regulator of QSCs (Fukada et al., 2007; Yamaguchi et al., 2015). SPRY1, a tyrosine inhibitor kinase, is necessary for maintenance and re-entry of PAX7⁺ SCs into quiescence (Shea, Xiang, LaPorta, et al., 2010). Additionally, integrin-β1 and CXCR4, integrin-α7 and CD34 are all definitive cell surface markers for QSCs in skeletal muscle, in vivo (Maesner, Almada, & Wagers, 2016). A detailed review of additional molecular markers, metabolic states, and mobility of QSCs is presented in Rocheteau, Vinet, and Chretien (2015).

3.2 | Satellite cell activation, differentiation, and proliferation

In response to muscle injury, several environmental cues (niche) and chemical signals trigger activation of SCs, signaling the proliferation and differentiation of SCs to mature fibers, replacing damaged ones. Activated SCs (ASCs) are characterized by PAX7 and MRF expression (MYOD1, MYOG, and MYF5). The relative expression of MYOD1, MYOG, and MYF5 in PAX7⁺ cells and their temporal sequence regulates and maintains ASC proliferation (reviewed in detail in Yin et al., 2013;

Figure 4). Terminal differentiation begins with downregulation of MYF5 and later MYOD1, and a concerted expression of MYOG, MEF2C, and MRF4 much later. Downstream targets of MYOD1 and MYOG (including MEF2s), further activate fiber type specific contractile and cytoskeletal genes (Cooper et al., 1999; Yin et al., 2013). Several mechanisms are suggested to play a role in the activation of MRFs and its downstream targets (Francetic & Li, 2011). For instance, MYF5 is induced via the methyltransferase CARM1's action on PAX7 and recruitment of histone acetyltransferases to the enhancers of MYF5 (Kawabe, Wang, McKinnell, Bedford, & Rudnicki, 2012). PAX3 also regulates early MYF5 expression via direct regulation of DMRT2 (Sato, Rocancourt, Marques, Thorsteinsdóttir, & Buckingham, 2010). SIX family of proteins (SIX1, SIX4)

(19)

regulate MYOG expression, particularly, SIX4 repress MYOG, while SIX1 activate MYOG expression, thereby regulating proliferation and differentiation fates of ASCs (Yajima et al., 2010).

The migration to, and proliferation of SCs at the site of injury is driven by chemoattractants (released from the ECM or from the inflammatory cells), mostly, GFs such as VEGFs (see Section 12.1), fibroblast GFs, insulin GFs, and hepatocyte GFs, damage-associated molecular patterns (Hindi & Kumar, 2016; Lotze et al., 2007), and cytokines (TNFα and TGFβ) released by resident cells and infiltrating inflammatory cells (Allen & Boxhorn, 1989; Christov et al., 2007; Y.-P. Li, 2003;

Sheehan & Allen, 1999; Tidball & Villalta, 2010). The JAK-STAT pathway, activated by various cytokines, has been suggested to play a crucial role in early myogenic differentiation (K. Wang, Wang, Xiao, Wang, & Wu, 2008) and SC proliferation and differentiation (Doles & Olwin, 2014). More recent studies also demonstrate the requirement of Gαi2, the α-subunit of the heterotrimeric G-protein complex, for SC differentiation in a protein kinase C and histone deacetylase (HDAC)-dependent man