Воздействуя на сигнальный путь Notch, можно предотвратить возрастную потерю костной массы

Скелетные стволовые клетки и клетки-предшественники (skeletal stem and progenitor cells, SSPC) — мультипотентные стволовые клетки костного мозга — необходимы для поддержания целостности костей и восстановления повреждений. Маркером SSPC является лептиновый рецептор (Lepr). С возрастом эти клетки все реже производят остеобласты и все чаще — адипоциты, что снижает прочность костей и их способность к регенерации. Молекулярный механизм этого возрастного изменения не до конца понятен. Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, ученые из США и Германии секвенировали РНК единичных клеток костей молодых мышей (три месяца) и мышей среднего возраста (12 месяцев).

Всего авторы выделили 24 клеточных кластера — 22 гематопоэтических и эндотелиальных и два стромальных. Клетки одного из стромальных кластеров экспрессировали Lepr, Cxcl12 и Kitl — гены, характерные для SSPC. С возрастом у мышей в этом кластере нарастала экспрессия адипогенных генов (Apoe, Lpl, Cebpa/b, Adipoq) и снижалась экспрессия остеогенных генов (Bmp4 и Egfr).

Ранее на человеческих образцах было показано, что с возрастом увеличивается экспрессия компонентов сигнального пути Notch. Авторы подтвердили, что у мышей в стромальных клетках нарастает экспрессия генов этого сигнального пути. Этого не наблюдалось в популяциях гематопоэтических и эндотелиальных клеток. Дальнейший анализ уточнил, что экспрессия компонентов сигнального пути Notch увеличивалась в Lepr+ SSPC. Это было связано с увеличением доступности хроматина.

Известно, что подавление сигналинга Notch способствует остеогенезу и подавляет адипогенез in vitro. Чтобы подтвердить правдивость этого утверждения in vivo, авторы нового исследования нарушили сигналинг Notch в SSPC. Они таргетировали Ncstn — γ-секретазу, которая активирует Notch, разрезая все четыре рецептора этого сигнального пути. Нокаут Ncstn действительно подавлял сигналинг Notch. В результате количество SSPC уменьшалось, зато увеличивалась доля PDGFRα+ и SCA-1+ остеопредшественников.

В результате нокаута Ncstn в SSPC увеличилась экспрессия 262 генов и уменьшилась экспрессия 313 генов. Среди генов с повышенной экспрессией находились остеогенные маркеры Bglap2, Myoc, Ncam1, Col1a1, Wnt4a, Clec11a и Foxp1. Среди генов с пониженной экспрессией находились факторы, связанные с адипогенезом, — Cebpa, Cebpb, Junb и Ccl2 и ингибиторы остеогенеза (Socs3 и Grem1).

По виду мыши с нокаутом Ncstn не отличались от мышей дикого типа, однако их костная масса была повышена. Данные были получены, когда мыши достигли среднего возраста. Их кости содержали намного больше остеобластов и остеокластов, чем у мышей дикого типа. То есть причина увеличения костной массы — не в нарушении ресорбции костей. Нокаут не влиял не гематопоэз. Количество адипоцитов костного мозга у нокаутных мышей снижалось.

Нокаутным мышам вводили 5-фторурацил, лекарство, которое способствует жировому перерождению костного мозга, схожему с процессами, происходящими в стареющем организме. У нокаутов было намного меньше адипоцитов, чем у контрольных мышей. У них также была улучшена регенерация костей после механического повреждения.

Теоретически, воздействуя на Notch, можно предотвратить костную дегенерацию, связанную с возрастом. Но Notch — плохая цель для терапии, так как этот сигнальный путь ассоциирован с раком. Также его компоненты экспрессируются повсеместно, что увеличивает риск побочных эффектов. В качестве альтернативы авторы предложили Ebf3. Это ген экспрессируется почти исключительно в SSPC. Его экспрессия снижается при нокауте Notch и повышается при старении. Нокаут Ebf3 в SSPC имеет почти такой же эффект, как и нокаут Ncstn.

Таким образом, в работе было показано, что сигналинг Notch в стволовых клетках костей регулирует образование остеоцитов и адипоцитов. При старении нарушается регуляция компонентов этого сигнального пути в SSPC, а подавление Notch предотвращает дегенерацию скелета, связанную со старением. Также авторы нашли потенциальную мишень, воздействуя на которую, можно предотвратить потерю минеральной плотности костей — Ebf3.

Ген голого землекопа продлил жизнь мышей