Немецкие ученые выяснили, что белок лейомодин-1 (LMOD1) участвует в ранних этапах формирования новых мышечных структур. В опытах с клетками мышей снижение его количества нарушало развитие мышечных трубочек, а повышенная выработка ускоряла этот процесс. Как мышцы восстанавливаются после повреждения, какую роль играет LMOD1 и почему его связь со старением пока остается открытым вопросом — в материале «Известий».

Следующий этап — слияние клеток. Они объединяются друг с другом или присоединяются к существующим мышечным волокнам, участвуя в их восстановлении. При объединении возникают многоядерные структуры — мышечные трубочки, или миотрубки. Это предшественники зрелых мышечных волокон.

Для успешной регенерации важна согласованность этих этапов. Клетка должна не только выйти из состояния покоя и размножиться, но и своевременно перейти к специализации и слиянию. Именно молекулярные процессы ранней дифференцировки стали предметом новой работы.

С возрастом способность мышц к восстановлению снижается. Некоторые заболевания также нарушают образование новых волокон. Поэтому ученые изучают, какие изменения внутри клеток помогают регенерации, а какие препятствуют ей.

Работу проводила команда под руководством исследователя FLI Алессандро Ори и профессора Бранденбургского технического университета Котбус — Зенфтенберг Юлии фон Мальцан. Ученые анализировали, как меняется белковый состав мышечных клеток по мере их специализации. Такой подход называется протеомикой: он позволяет изучать множество белков одновременно.

Белки выполняют разные функции — участвуют в химических реакциях, передаче сигналов и поддержании структуры клетки. Поэтому изменение их количества помогает понять, что происходит при переходе клетки из одного состояния в другое. Исследователи использовали масс-спектрометрию, позволяющую идентифицировать белки и оценивать их содержание в образцах. В общей сложности они проследили динамику более 6 тыс. белков.

Для основного анализа взяли первичные мышечные клетки пяти мышей и наблюдали их дифференцировку в течение пяти дней. Образцы собирали на разных этапах, чтобы увидеть последовательность изменений.

«Один белок особенно привлек наше внимание, поскольку его уровень резко изменился в самом начале дифференцировки. Этим белком оказался LMOD1», — рассказал Ори.

Лейомодин-1 относится к белкам, которые помогают запускать образование актиновых нитей. Актин — важная часть цитоскелета, внутреннего каркаса клетки. Этот каркас постоянно перестраивается. Он помогает поддерживать форму клетки и участвует в движении, росте и изменениях ее структуры. При превращении клеток-предшественников в мышечные трубочки такая перестройка особенно важна.

Однако исследователи предположили, что роль LMOD1 может выходить за пределы организации цитоскелета. Его количество увеличивалось уже на раннем этапе дифференцировки, когда клетка только начинала переходить к формированию мышечной структуры.

Само по себе совпадение еще не доказывает, что белок управляет процессом. Его уровень мог повышаться вследствие уже запущенных изменений. Поэтому команда провела эксперименты, в которых специально уменьшала или увеличивала количество LMOD1.

При уменьшении уровня LMOD1 формирование мышечных трубочек заметно нарушалось. Накапливались клетки, которые не смогли успешно завершить дифференцировку. Возникавшие структуры были короче и содержали меньше ядер. Это указывало на проблемы с развитием и объединением клеток в миотрубки.

Изменение количества белка позволило проверить его функциональную роль. Исследователи наблюдали не только повышение LMOD1 одновременно с дифференцировкой, но и последствия его недостатка.

Результат показал, что нормальный уровень белка важен для успешного прохождения ранних этапов формирования мышечной ткани. При этом LMOD1 действует в системе других молекулярных регуляторов, которые также влияют на судьбу клетки.

Противоположное вмешательство давало другой результат. Когда клетки вырабатывали больше LMOD1, дифференцированные мышечные трубочки появлялись раньше. Они были длиннее и содержали больше ядер.

Анализ белкового состава подтверждал, что клетки быстрее приобретали молекулярные признаки формирования мышечной ткани. Таким образом, изменения были заметны и по внешнему виду структур, и по внутреннему состоянию клеток.

«Нас удивило, насколько рано этот белок начинает играть роль в дифференцировке. Наши результаты показывают, что LMOD1 гораздо больше, чем компонент цитоскелета: он влияет на центральный регуляторный процесс, определяющий, как мышечные стволовые клетки формируют новые волокна», — отметила фон Мальцан.

Этот результат получен в клеточной культуре. Более быстрое образование миотрубок в лаборатории еще не означает, что повышение LMOD1 позволит столь же успешно восстановить поврежденную мышцу у человека. Но оно дает основание изучать белок как участника регуляции этого процесса.

Исследователи также проследили изменения в поврежденных мышцах животных. Во время регенерации количество LMOD1 повышалось, особенно на ранних этапах образования новых мышечных структур.

В окончательной версии статьи описан и эксперимент со снижением LMOD1 после повреждения мышцы. Такое вмешательство ухудшало регенерацию у мышей. Это дополняет результаты клеточных опытов. Белок оказался связан с восстановлением ткани в живом организме, где на клетки влияют окружающие структуры и сигналы.

Вместе эти эксперименты подтверждают участие LMOD1 в мышечной дифференцировке и регенерации. Вопрос о том, можно ли использовать управление его уровнем для улучшения восстановления, требует дальнейших исследований.

Команда обнаружила взаимодействие LMOD1 с SIRT1 — ферментом, который участвует в регуляции активности белков и генов. Его роль в дифференцировке мышечных клеток была известна и раньше. Оказалось, что LMOD1 влияет на распределение SIRT1 внутри клетки. При повышенной выработке LMOD1 доля SIRT1 в ядре уменьшалась. Особенно заметными эти изменения были в начале дифференцировки.

Для молекулярного регулятора важно не только его количество, но и расположение. В разных частях клетки он может взаимодействовать с разными участниками биологических процессов. Поэтому перераспределение SIRT1 помогает объяснить, как LMOD1 связан с изменением программы клеточной специализации.

Дополнительные опыты показали, что снижение количества SIRT1 или подавление его активности частично исправляло нарушения дифференцировки, возникавшие при недостатке LMOD1. Это поддерживает вывод о функциональной связи двух белков.

Частичное восстановление также указывает, что найденное взаимодействие не исчерпывает весь механизм. Другие процессы могут участвовать в том, как клетка формирует мышечную структуру. По словам ведущего автора работы, бывшей аспирантки FLI и исследователя Genentech Эллен Шпет, результаты позволяют рассматривать LMOD1 как участника регуляции программы дифференцировки через влияние на распределение и активность SIRT1.

Ученые обнаружили повышенный уровень LMOD1 в мышечных стволовых клетках старых мышей. Это наблюдение особенно интересно на фоне возрастного снижения способности мышц к регенерации.

В клеточных опытах увеличение LMOD1 помогало формированию миотрубок. Однако повышенное содержание белка у старых животных само по себе не позволяет считать их клетки более способными к восстановлению. Значение имеет состояние клетки, этап процесса и взаимодействие с другими регуляторами. Поэтому зависимость нельзя свести к правилу «чем больше LMOD1, тем лучше регенерация».

Пока не установлено, как именно возрастное изменение уровня белка связано с ухудшением восстановления мышц. Для этого потребуется изучать его регуляцию и последствия изменения активности в стареющих клетках. Новая работа выделяет конкретный вопрос для дальнейшего исследования, но не доказывает, что повышенный LMOD1 вызывает старение мышц или способен его обратить.

Основные эксперименты проводили с мышиными клетками и животными. Сопоставимую роль механизма в человеческих мышцах еще предстоит проверить.

«Для будущих исследований ключевые вопросы — почему уровень LMOD1 меняется в стареющих мышцах и какие последствия это имеет для способности мышечных стволовых клеток к регенерации. Также необходимо выяснить, играет ли наблюдаемый механизм сопоставимую роль в мышцах человека», — отметила соавтор работы, исследователь Университета Шербрука в Канаде Свеня Шюлер.

Для возможного применения потребуется понять, как регулировать этот процесс, на каком этапе вмешательство может быть полезно и как оценивать восстановление полноценной мышечной ткани. Работа пока не предлагает готового лечения возрастного ухудшения регенерации.

В перспективе изучение LMOD1 и SIRT1 может уточнить причины нарушенного восстановления при старении и заболеваниях. Это даст возможность оценить, подходят ли найденные механизмы в качестве мишеней для будущей терапии.