Регенерации у млекопитающих препятствуют жесткость внеклеточного матрикса и кислород

Способность к регенерации в разных таксонах животных сильно варьирует. Плоский червь планария может вырастить свое тело из небольшого фрагмента, рыбы могут регенерировать плавники, хвостатые амфибии — лапы. По сравнению с ними способность млекопитающих к регенерации существенно ограничена: даже заращивание отверстия в ушной раковине или регенерация без шрама свойственны не всем млекопитающим. Однако в последнее время появляются данные в пользу того, что причиной может быть не отсутствие нужных для регенерации генетических программ, а угнетающие регенерацию свойства тканевого окружения раны. Этой теме посвящены сразу две статьи в свежем номере Science.

Авторы одной из статей изучали регенерацию пальцев у мышей. Взрослые мыши (и человеческие маленькие дети) могут регенерировать кончик третьей фаланги пальца. Однако если палец отрезан по второй фаланге или у основания, образуется шрам и регенерация не идет. Ученые исследовали характеристики тканей неповрежденного пальца и убедились, что регенерирующие участки мягче тех, что не регенерируют. Они также содержат много гиалуроновой кислоты, способность которой модулировать воспаление, миграцию клеток и ускорять заживление ран хорошо известна.

Когда у мыши предотвратили удаление гиалуроновой кислоты из тканей у основания пальца, это уменьшило образование шрама и способствовало регенерации кости. Напротив, удаление гиалуроновой кислоты из регенерирующего участка подавило регенерацию и вызвало фиброз.

У организмов с высокой регенеративной способностью поврежденная ткань заменяется новой, функциональной тканью, а не рубцом. Для этого необходима бластема — скопление недифференцированных клеток у раневой поверхности. Бластема в регенерирующем участке пальца была обогащена не только гиалуроновой кислотой, но связывающим протеогликаны белком 1 (HAPLN1), который ее стабилизирует. Оверэкспрессия HAPLN1 в нерегенерирующей области пальца увеличивала накопление гиалуроновой кислоты и способствовала в том числе отрастанию кости. Следовательно, модуляция внеклеточного матрикса вокруг повреждения может индуцировать хотя бы частичную регенерацию ампутированных пальцев у млекопитающих.

В нерегенерирующих ранах преобладали фибробласты, формирующие жесткую коллагеновую матрицу, в регенерирующих — клетки, продуцирующие компоненты, связанные с гиалуроновой кислотой, такие как HAPLN1. Авторы продемонстрировали динамическую связь между гиалуроновой кислотой и отложением коллагена (механизмы этой связи еще нуждаются в исследованиях) и подтвердили важность механических свойств ткани для регенерации. Экспрессия HAPLN1 и гиалуроновая кислота смягчает внеклеточный матрикс, создавая среду, которая напоминает бластему. При этом, вероятно блокируется отложение коллагена, повышающее жесткость и способствующее дальнейшему образованию фиброзной ткани. Эти результаты говорят о том, что роль гиалуроновой кислоты может выходить за пределы улучшения заживления ран и «омоложения», а также указывают на HAPLN1 как на потенциальную терапевтическую мишень.

Авторы другой работы исследовали роль кислорода в регенерации конечностей у головастика шпорцевой лягушки Xenopus laevis и эмбрионов мышей. В норме конечности головастиков могут регенерировать (в том числе на определенной стадии развития на это способна отрезанная лапа), а у мышей регенерация ограничена даже на эмбриональной стадии. Исследователи ампутировали конечности у головастиков и эмбрионов мышей на 12-м дне развития, ампутировали их концевые участки и выращивали в культуре, наблюдая за регенерацией. При этом конечности мышей лишь частично погружали в питательную среду, так что половина образца подвергалась воздействию воздуха и, следовательно, атмосферного уровня кислорода. Конечности головастиков полностью погружали в культуральную среду, чтобы имитировать условия пониженного содержания кислорода в воде, где они обычно обитают.

В кислородной среде мышиная конечность не регенерировала; аналогичный результат был получен и на целых эмбрионах мышей, выращенных вне матки, то есть отделение от тела не было причиной. Мышиная конечность, погруженная в среду, регенерировала лучше. Последующие эксперименты показали, что пониженное содержание кислорода вызывает пролиферацию клеток, миграцию и стабилизацию HIF1A (субъединицы альфа в составе фактора, индуцируемого гипоксией 1)— транскрипционного фактора, чувствительного к кислороду. (За открытие белка HIF была присуждена Нобелевская премия 2019 года; он считается важным фактором регенерации.) Метаболизм клеток смещался в сторону гликолиза.

Как у головастиков, так и у эмбрионов мышей блокирование действия HIF1A подавляло миграцию клеток кожи, необходимую для заживления ран. Однако HIF1A шпорцевой лягушки оказался более стабильным, чем у мышей, что, вероятно, объясняет его способность активировать экспрессию генов при низком содержании кислорода. В то же время конечности головастиков успешно регенерировали и при высоких уровнях кислорода, в том числе при более высоких, чем в атмосфере. Мыши могут быть более чувствительными к подавлению регенерации высокими концентрациями О₂.

 Регенерирующая конечность головастика. Серым цветом окрашены клеточные ядра, оранжевым — мембраны. Credit: Georgios Tsissios |  Пресс-релиз

Авторы исследовали влияние уровня кислорода на организацию цитоскелета и механические свойства клеточного окружения. В той части конечности мыши, которая контактировала с воздухом, вблизи базальной мембраны эпителиальных клеток накапливался актин — белок цитоскелета, важный для движения клеток. Низкое содержание кислорода подавляло его накопление, параллельно активировался транскрипционный коактиватор YAP1 (Yes-associated protein 1), для которого ранее было показано участие в регенерации. Авторы экспериментально активировали YAP в экспланте конечности мыши при атмосферном уровне кислорода и обнаружили, что он индуцировал заживление ран.

Для роста конечности, в отличие от простого заживления раны, необходимо образование специфической популяции клеток (популяции клеток апикального эктодермального гребня) в месте повреждения. Авторы второго исследования запускали ее образование с помощью сигнальных молекул и активаторов сигнальных путей, но этот подход надежно работал только при пониженном содержании кислорода.

Сравнивая данные, полученные на лягушках, аксолотлях, мышах и людях, исследователи подтвердили, что это общая закономерность. У амфибий снижена чувствительность к кислороду, что позволяет запускать и поддерживать регенеративные программы. Клетки млекопитающих активно реагируют на кислород и отключают регенеративные программы вскоре после травмы. Кстати, для многих водных видов, от данио-рерио до дельфинов, характерна улучшенная регенерация.

Низкий уровень кислорода также влиял на эпигенетический ландшафт, в частности, через модификацию гистонов — белков, отвечающих за упаковку ДНК. При сниженном уровне кислорода в конечностях эмбрионов мышей возрастало количество модифицированного гистона H3K4me3, повышающего доступность ДНК, и снижалось число репрессивных модификаций (H3K27me3) в генах, связанных с регенерацией, которые обычно у млекопитающих находятся в спящем состоянии.

Итак, регенерации у млекопитающих способствуют несколько факторов в среде, окружающей рану: повышение мягкости внеклеточного матрикса, снижение чувствительности к кислороду, увеличение концентрации гиалуроновой кислоты, подавление накопления актина и модификации гистонов, способствующие открытию хроматина (рост H3K4me3, снижение H3K27me).

Ключом к регенерации у млекопитающих может быть сочетание экспрессии необходимых генов и изменение характеристик среды, причем без геномных изменений. Это может объяснить, почему у некоторых животного наблюдаются различные реакции заживления в разных участках тела. Например, у северных оленей бархатистая кожа на рогах регенерирует без рубцевания, но кожа спины заживает только с образованием рубцов, как у большинства млекопитающих.

Регенерации кожи препятствует активный рост нервов вокруг раны