Для регенерации мышц после травмы нужны деметилаза гистонов и гиалуроновая кислота

Международная группа, возглавляемая учеными Медицинского исследовательского института Оттавы, установила молекулярный механизм, обеспечивающий восстановление мышц после повреждения. Ранее было показано, что для их регенерации необходимо взаимодействие иммунных клеток, обеспечивающих удаление травмированных тканей и создание регенеративной ниши, и стволовых клеток (СК), дающих начало новым волокнам.

«Когда мышцы повреждаются, иммунным клеткам важно быстро проникнуть в ткань и устранить повреждение до того, как стволовые клетки начнут восстанавливаться, — объяснил Джеффри Дилворт, больницы, профессор Оттавского университета и руководитель работы. — Наше исследование показывает, что мышечные стволовые клетки готовы немедленно начать восстановление, но иммунные клетки поддерживают стволовые клетки в состоянии покоя, пока завершают работу по очистке. Примерно через 40 часов, как только работа по очистке завершена, в мышечных стволовых клетках срабатывает внутренний сигнал тревоги, который позволяет им проснуться и начать восстановление».

В новой работе изучается роль эпигенетических изменений в СК мышц при травме. Авторы создали мышей с нокаутом генов Utx или Jmjd3, кодирующих разные ферменты-деметилазы гистонов, в СК мышц. Нарушение удаления метильных меток в положении 27 сопровождалось ухудшением регенерации мышц после травмы у обеих групп животных.

Чтобы детальнее разобраться в роли каждой из деметилаз, исследователи секвенировали транскриптомы изолированных мышечных клеток, принадлежащих мышам-нокаутам, спустя 40 часов после травмы. Стволовые клетки мышц без UTX продолжали пролиферировать, в то время как экспрессия генов в СК с нокаутом JMJD3 была такой же, как в состоянии покоя. Это означает, что JMJD3 вовлечен в ранние этапы активации покоящихся мышечных СК. Напротив, фермент UTX оказался задействован в последующей пролиферации и дифференцировке СК.

Интересно, что активация клеточного цикла в мышечных СК, зависимая от JMJD3, наблюдается только при повреждении, но не в интактных тканях. Ученые предположили, что в момент травмы из зоны травмы поступают сигналы, которые притормаживают активацию СК, однако JMJD3-опосредованное удаление метильных групп отменяет этот сигнал и разрешает активацию. Действительно, когда мыши с нокаутом Jmjd3 повредили мышцу одной задней лапы и через 36 часов посмотрели, активируются ли стволовые клетки в неповрежденной лапе, оказалось, что активация СК в нетронутой мышце подавлена. Аналогичный эффект оказали экстракты поврежденных мышц, в том числе и с дистрофией, полученные от мышей дикого типа: когда их вводили мышам с нокаутом, в их мышечных СК тоже не запускался клеточный цикл.

Ингибирующими сигналами регенеративной ниши оказались цитокины — интерферон-γ, интерлейкин 6 и фактор некроза опухоли (TNF-α). Они высоко экспрессировались в макрофагах, которые присутствовали в поврежденном участке через 24 часа после травмы. Эту реакцию также могли усиливать нейтрофилы, которые, как известно, секретируют интерферон и интерлейкин в регенерирующих мышцах.

Объединив геномные и транскриптомные походы, ученые идентифицировали возможные гены-мишени деметилирования JMJD3 в мышечных СК; в список попал 41 ген. Затем сосредоточились только на тех, что кодируют белки внеклеточного матрикса, так как они могут облегчить связь с регенеративной нишей. Особое внимание исследователей привлек Has2, который кодирует фермент, отвечающий за синтез гиалуроновой кислоты. Этот высокомолекулярный полисахарид заполняет межклеточное пространство и способствует взаимодействиям между клетками. Высокая экспрессия гена Has2,была зафиксирована в поврежденных мышцах, но не в интактных.

У мышей дикого типа через 40 часов после травмы гиалуроновая кислота обволакивала все мышечные волокна, включая некротизированные, чего не происходило у мышей с нокаутом Jmjd3. В то же время добавление гиалуроновой кислоты к культуре мышечных СК, в которых отсутствовала деметилаза JMJD3, было достаточным для их активации. Получается, что гиалуроновая кислота реконструирует внеклеточный матрикс вокруг мышечных СК и таким образом снимает блок на выход из состояния покоя, вызванный цитокинами.

В настоящее время исследователи проверяют, можно ли использовать препараты, изменяющие эпигенетику СК мышц, чтобы они вырабатывали больше гиалуроновой кислоты. По мнению авторов работы, это могло бы помочь в восстановлении мышц и при старении, которое сопряжено с хроническим воспалением, мышечной слабостью и снижением способности мышц к регенерации.