Активация синтеза ретиноевой кислоты позволила мышам зарастить повреждения ушной раковины

Способность к регенерации поврежденных органов у млекопитающих весьма неоднородна. Некоторые животные, например, кролики и иглистые мыши, могут полностью регенерировать поврежденную ушную раковину, тогда как многие другие (в том числе крысы) к этому неспособны. Авторы статьи в Science выяснили, что слабая регенерация объясняется низкой способностью к выработке ретиноевой кислоты, и усилить ее можно активацией единственного гена.

Ученые сравнили, как восстанавливается поврежденное наружное ухо у регенерирующих (кролики, козы, иглистые мыши) и нерегенерирующих (крысы, мыши) млекопитающих. В ушной раковине прорезали круглое отверстие и наблюдали за процессом заживления. У кроликов оно полностью затягивалось к 30-му дню, а структура утраченной ткани нормализовалась еще через два месяца. У мышей отверстие не затягивалось, однако по его краям все же формировалось немного новой хрящевой ткани.

Анализ генной онтологии по транскриптомным данным показал, что список генов, активирующихся в регенерирующей ткани, был обогащен участниками морфогенеза скелетной системы и развития мезенхимы. При этом повреждение ушной раковины у нерегенерирующих млекопитающих активировало гены, необходимые для формирования бластемы — клеточной массы, которая образуется в поврежденном участке и нужна для его заживления — но не обеспечивало в должной мере морфогенез тканей.

Чтобы проанализировать клеточный ответ на повреждение тканей и установить причины такой слабой регенерации у мышей по сравнению с кроликами, ученые провели секвенирование РНК единичных клеток на 0, 5 и 10 дни. Сопоставление транскриптомов кроликов и мышей подтвердило наличие общих основных типов клеток, включая кератиноциты, фибробласты, мышечные клетки, хондроциты и макрофаги. Однако гены, ассоциированные с регенерацией, экспрессировались преимущественно в особой субпопуляции фибробластов, которая возникала только после повреждения.

Эти фибробласты, индуцированные повреждением, отличались у регенерирующих и нерегенерирующих животных на транскриптомном уровне. У кроликов в них выраженно активировались 114 генов, которые почти не детектировались у мышей — в основном морфогенетических факторов. Более подробное пространственное картирование методом Stereo-seq выявило девять генов, ассоциированных с высоким регенеративным потенциалом бластемы у кроликов.

Опыты с доставкой этих генов в составе аденоассоциированного вирусного вектора позволили выявить один из них, которого было достаточно для полной регенерации ушной раковины — ген ретинальдегиддегидрогеназы 2 (Aldh1a2). Он кодирует фермент лимитирующей стадии синтеза ретиноевой кислоты. В норме ее биосинтез у мышей подавлен — как за счет слабой экспрессии Aldh1a2, так и за счет активной деградации.

Активация сигнального пути ретиноевой кислоты различными способами — как за счет оверэкспрессии Aldh1a2, так и при введении непосредственно этого вещества, — усиливала регенерацию ушной раковины у мышей.

Ученые выяснили, что у мышей отсутствуют регуляторные элементы, отвечающие за активацию Aldh1a2 при повреждении ушной раковины. Такие регуляторные элементы они выявили в геноме кроликов — одним из них оказался энхансер AE1. Опыты с трансгенными мышами подтвердили, что этого энхансера и AE1-зависимой экспрессии Aldh1a2 достаточно, чтобы поврежденная ушная раковина могла полностью восстановиться.

Таким образом, ключевую роль в восстановлении поврежденных тканей играет сигнальный путь ретиноевой кислоты. Его активация у млекопитающих со слабой регенерацией значительно усиливает способность к ней и позволяет заживить повреждение так же эффективно, как это происходит у регенерирующих видов.