Открыт белок‑регулятор дифференцировки мышечных стволовых клеток

Исследователи из Института старения Лейбница — Института Фрица Липмана (FLI) в Йене и BTU Котбус‑Зенфтенберг выявили ранее неизвестный регулятор дифференцировки мышечных стволовых клеток. На ранней стадии формирования новых мышечных волокон активируется белок лейомодин 1 (LMOD1). При отсутствии LMOD1 образование мышечных волокон существенно нарушается, а при повышении его уровня процесс ускоряется. Статья с этими результатами опубликована в журнале eLife; авторы также показали взаимодействие LMOD1 с ферментом SIRT1, что даёт новое представление о молекулярных механизмах регенерации мышц и ставит вопросы о влиянии возрастных изменений на эти процессы.

Скелетные мышцы обладают способностью к самовосстановлению после повреждений — этот процесс зависит от мышечных стволовых клеток. В покое такие клетки в основном находятся в неактивном состоянии, но после травмы они активируются, начинают делиться и затем проходят дифференцировку в специализированные клетки скелетных мышц. Эти клетки сливаются между собой или с существующими волокнами, формируя новые или восстанавливая повреждённые мышечные структуры.

Регенерация критична для восстановления мышечной ткани, однако с возрастом её эффективность снижается, а при некоторых заболеваниях образование новых волокон также нарушается. Молекулярные «переключатели», которые определяют переход мышечных стволовых клеток из состояния покоя в дифференцировку, изучены частично — и в этом контексте появилось новое исследование.

Группа под руководством доктора Алессандро Ори из FLI и профессора Юлии фон Мальцан из BTU Котбус‑Зенфтенберг проанализировала, какие изменения происходят в целом белковом составе мышечной стволовой клетки при её переходе к дифференцировке.

Анализ тысяч белков с течением времени

Для этого команда применила масс‑спектрометрическую протеомику и проследила уровни более 6000 белков в первичных мышечных клетках мышей на разных стадиях дифференцировки. Это позволило определить не только наличие белков, но и динамику их изменений в процессе формирования мышечных клеток.

"Один белок особенно привлёк наше внимание, поскольку его уровни резко изменились в самом начале процесса дифференцировки",

— говорит доктор Алессандро Ори из Института старения Лейбница — Института Фрица Липмана (FLI).

Белок лейомодин 1 (LMOD1) относится к группе актиновых нуклеаторов и участвует в построении актиновых нитей — ключевого компонента цитоскелета, придающего клеткам форму и обеспечивающего движение, рост и перестройку. В исследовании LMOD1 проявил дополнительные функции: его уровень повышается на ранних этапах дифференцировки, и это изменение влияет на способность клеток формировать новые мышечные волокна.

Без LMOD1 образование новых мышечных волокон останавливается

Чтобы выяснить, необходим ли LMOD1 для миогенеза, учёные специфически снизили количество этого белка в первичных мышечных клетках. При уменьшении уровня LMOD1 образование мышечных трубочек — предшественников волокон — было существенно нарушено. Клетки накапливались в промежуточном состоянии и не завершали дифференцировку: формировались лишь более короткие структуры с меньшим числом ядер.

Напротив, повышение продукции LMOD1 ускоряло образование новых волокон: клетки раньше образовывали полностью дифференцированные мышечные трубки, которые были длиннее и содержали больше ядер. Протеомный анализ подтвердил, что при этом клетки приобретали характерный молекулярный профиль ранней миогенезы.

Эту взаимосвязь подтвердили и in vivo: в модели повреждения скелетной мышцы у мышей уровень LMOD1 повышался в регенерирующей ткани, причём белок особенно ярко определялся на ранней стадии восстановления. Эти результаты свидетельствуют о том, что LMOD1 активно поддерживает миогенную дифференцировку.

"Мы были удивлены, увидев, насколько рано этот белок начинает играть роль в процессе дифференцировки", — отмечает профессор Юлия фон Мальцан из BTU Котбус‑Зенфтенберг. "Наши данные показывают, что LMOD1 — это не только элемент цитоскелета: он влияет на центральный регуляторный процесс формирования новых мышечных волокон".

Молекулярное взаимодействие с SIRT1

Ещё одним важным открытием стало обнаружение взаимодействия LMOD1 с ферментом SIRT1, известным регулятором активности белков и генов, участвующим в дифференцировке мышечных клеток.

Исследователи показали, что LMOD1 и SIRT1 взаимодействуют и что LMOD1 влияет на пространственное распределение SIRT1 внутри клетки. Особенно заметно это на ранней стадии дифференцировки: при повышении экспрессии LMOD1 доля SIRT1 в ядре уменьшается. "Таким образом, наше исследование рисует новую картину: LMOD1 не только является компонентом цитоскелета, но, по‑видимому, участвует в регулировании генетической программы дифференцировки, контролируя распределение и активность SIRT1", — поясняет доктор Эллен Спет, ведущий автор исследования, ранее аспирантка FLI, в настоящее время постдок в Genentech Inc. (США).

Связь с процессом старения

Особенно примечательно наблюдение, что уровни LMOD1 повышены в мышечных стволовых клетках старых мышей. Это наводит на вопрос, может ли изменённая регуляция LMOD1 способствовать возрастным изменениям в поведении этих клеток и тем самым влиять на снижение регенеративной способности мышц с возрастом.

"Наши результаты расширяют понимание того, как мышечные стволовые клетки контролируют программу формирования новых волокон", — говорит доктор Свенья Шулер, соавтор работы и бывшая аспирантка FLI, сейчас постдок в Университете Шербрук (Канада). "Дальнейшие исследования должны выяснить, почему уровни LMOD1 меняются в стареющих мышцах и как это отражается на восстановительной способности, а также играет ли аналогичная роль этот механизм в тканях человека".

Таким образом, результаты дают новый фрагмент понимания старения скелетных мышц. В долгосрочной перспективе эти данные могут помочь выяснить молекулярные причины снижения регенерации у пожилых людей и обозначить возможные мишени для будущих стратегий поддержания здоровья мышц.