Исследовательское сотрудничество, базирующееся в Университете Кумамото, Япония, обнаружило, что мышцы и резидентные стволовые клетки (сателлитные клетки), ответственные за регенерацию мышц, сохраняют память о своем местонахождении в теле. Было обнаружено, что эта позиционная память основана на паттерне экспрессии кластера генов гомеобокса (Hox), который отвечает за формирование тела в течение жизни плода. Ожидается, что эти результаты дадут ключ к разгадке патогенеза мышечных заболеваний, таких как мышечная дистрофия, при которых уязвимость мышц варьируется в зависимости от типа мышц, и помогут разработать регенеративную медицину, основанную на позиционной памяти.
Существуют различные типы мышечной дистрофии трудноизлечимых мышечных заболеваний, и каждый из них имеет разное расположение симптомов. Точно так же возрастная хрупкость мышц (саркопения) не происходит равномерно по всему телу. Физическая локализация симптомов этих заболеваний не может быть объяснена только различиями в типах мышечных волокон или схемах физической активности и требует нового взгляда на их патогенез.
Происхождение клеток, образующих мышцы, зависит от стадии плода. Например, большинство черепно-лицевых мышц берут свое начало от черепной мезодермы, а мышцы конечностей – от сегментов тела. Развитие конечностей и черепно-лицевых мышц в период плода включает определенные молекулярные механизмы, зависящие от их происхождения. Однако различия в свойствах зрелых скелетных мышц в зависимости от положения тела после рождения полностью не обсуждались. Таким образом, исследовательское сотрудничество работало над визуализацией позиционной информации тела путем изучения эпигеномного состояния и паттернов экспрессии генов скелетных мышц и мышечных стволовых клеток, ответственных за регенерацию.
Используя стволовые клетки скелетных мышц и связанных с ними мышечных стволовых клеток, выделенные из головы и задних конечностей взрослых мышей, исследователи исследовали позиционную специфичность на эпигеномном уровне с помощью анализа ДНК-метилома. Они обнаружили характерные различия в статусе метилирования ДНК в локусах гомеобокса (Hox). Среди четырех областей, от A до D, локус Hox-A, в частности, имел общее состояние гиперметилирования ДНК в скелетных мышцах задних конечностей и стволовых мышечных клетках по сравнению с головными. Кроме того, как скелетные мышцы, так и мышечные стволовые клетки задних конечностей показали высокую экспрессию гена Hox-A. Многие из этих генов Hox-A отражают паттерны экспрессии в период развития плода. Эти данные свидетельствуют о том, что скелетные мышцы и мышечные стволовые клетки запоминают позиционную информацию в течение жизни плода, и что эпигеномная регуляция метилированием ДНК может быть вовлечена в позиционную память.
Затем исследователи сосредоточились на гене Hoxa10, который в высокой степени экспрессируется только в мышцах конечностей. Когда мышечные стволовые клетки задних конечностей, экспрессирующие Hoxa10, были выделены и трансплантированы в черепно-лицевые мышцы, которые не экспрессируют Hoxa10, экспрессия гена Hoxa10 стала обнаруживаться в черепно-лицевых мышцах. Другими словами, мышечные стволовые клетки задних конечностей были способны иннервировать черепно-лицевую мышцу с сильным сохранением позиционной памяти даже после внематочной трансплантации.
Затем они создали мышей, лишенных гена Hoxa10 в мышечных стволовых клетках, чтобы проанализировать его функцию. Дефицит Hoxa10 серьезно нарушает регенерацию мышц задних конечностей, но не влияет на регенерацию черепно-лицевых мышц. Подробное исследование механизма, лежащего в основе нарушения регенерации мышц задних конечностей, показало, что оно вызвано нестабильностью генома из-за аномального распределения хромосом во время деления мышечных стволовых клеток. Кроме того, анализ стволовых клеток мышц головы и ног человека также показал, что только клетки мышц ног экспрессируют ген HOX-A и что его ингибирование приводит к аномальному делению клеток, подтверждая, что позиционная память мышечных клеток сохраняется у людей и мышей.
Это исследование предполагает, что позиционная память мышечных стволовых клеток, основанная на позиционно-специфическом распределении экспрессии Hox-гена, может определять позиционно-специфические свойства скелетных мышц, а не просто сохраняться в течение жизни плода.
"В будущем мы ожидаем, что функциональные аспекты позиционной памяти мышечных стволовых клеток приведут к выяснению механизмов, которые приводят к локализации симптомов, которые наблюдаются при различных мышечных заболеваниях, таких как мышечная дистрофия," сказал доцент Юсуке Оно, который руководил исследованием. "Кроме того, эксперименты по эктопической трансплантации, в которых мышечные стволовые клетки трансплантируются в место, отличное от того, где они были собраны, показали, что они поддерживают позиционную память и регенерируют. С другой стороны, скелетные мышцы, регенерированные в результате ксенотрансплантации, могут не обладать своей исходной позиционной информацией, что может нарушить их нормальную функцию. В последнее время наблюдается быстрый прогресс в дифференцировке iPS-клеток в различные клетки-предшественники и разработке методов массового культивирования, но расположение индуцированных клеток-предшественников не рассматривалось. В будущем наша группа попытается разработать приложения для регенеративной терапии мышечных заболеваний, искусственно управляя позиционной памятью клеток и используя свойства клеток с позиционной памятью в нужных местах."