Деметилаза гистонов Kdm6b регулирует дифференцировку моторных нейронов

Мотонейроны спинного мозга — одна из групп нейронов с наиболее подробно изученной постмитотической дифференцировкой. Авторы статьи, опубликованной в Nature Communications, показали, что важнейшую роль в дифференцировке мотонейронов спинного мозга на подтипы играет деметилаза гистоов Kdm6b, которая деметилирует остаток лизина 27 гистона H3 (H3K27). Kdm6b способствует дифференцировке моторных нейронов в нейроны медиальной моторной колонки и гипаксиальной моторной колонки и, подавляя дифференцировку в нейроны латеральной моторной колонки и преганглионарной моторной колонки.

Медиальная моторная колонка иннервирует мышцы задней стороны туловища и шеи, гипаксиальная — мышцы грудной клетки и живота, латеральная — мышцы конечностей, преганглионарная — сенсорные ганглии, симпатические ганглии, контролирующие внутренние органы, в том числе сердце.

Авторы исследования показали в экспериментах на мышах, что мРНК Kdm6b выявляется в только что дифференцированных мотонейронах спинного мозга на этапе E10.5 эмбрионального развития мыши. Нокаут гена Kdm6b приводил к гибели зародышей во время внутриутробного развития, что говорит о важной роли кодируемого им белка. Как оказалось, у мышей с нокаутом изменяется состав подтипов мотонейронов на этапах E11.5 и E12.5, но не E10.5. Для дальнейших экспериментов ученые получили мышей с условным нокаутом Kdm6b.

Композиция транскрипционных факторов, экспрессируемых в мотонейронах мышей с нокаутом по Kdm6b, свидетельствует о том, что в отсутствие Kdm6b снижается количество мотонейронов медиальной моторной колонки, а число нейронов латеральной и преганглионарной моторной колонок возрастает по сравнению с нормой.

Более того, в отсутствие функционального белка Kdm6b изменяются траектории аксонов мотонейронов. Экспрессия GFP позволила проследить аксональные траектории и показала, что у мышей с нокаутом Kdm6b по сравнению с мышами дикого типа мотонейроны медиальной моторной колонки практически не иннервируют дорсальную аксиальную мускулатуру. В то же время пучки аксонов мотонейронов, входящих в состав латеральной моторной колонки и иннервирующих мышцы конечностей, а также мотонейронов преганглионарной моторной колонки, иннервирующих сенсорные ганглии, у нокаутных мышей утолщены по сравнению с нормой.

Авторы работы показали, что другая гистондеметилаза, Kdm6a, которая также может деметилировать H3K27, для дифференцировки мотонейронов не нужна.

Анализ транскриптомов единичных мотонейронов, лишенных Kdm6b, а также кластеризация клеток линии мотонейронов по транскриптомным данным с помощью машинного обучения без учителя (unsupervised clustering) позволили выделить несколько популяций моторных нейронов, различающихся по паттернам экспрессии ряда маркерных белков, а также выделяемым нейромедиаторам. Дальнейший анализ определил набор маркерных белков для каждой популяции мотонейронов. В частности, для популяции предшественников мотонейронов характерна экспрессия таких генов, как Ttyh1, генов, кодирующих компоненты сигнального пути Notch (Hes5, Hey1 и Notch1/2), компоненты пути Wnt (Wnt 4/7b), а также Id1/3.

Таким образом, из данных по секвенированию РНК одиночных клеток ученые сделали вывод, что Kdm6b играет важнейшую роль в дифференцировке мотонейронов медиальной и гипаксиальной мотороных колонок. Более того, этот белок необходим для экспрессии сигнатурных генов для отдельных подтипов мотонейронов.