Обычно каждая клетка имеет ровно одно ядро. Но клетки наших скелетных мышц отличаются: эти длинные волокнистые клетки имеют сравнительно большую цитоплазму, содержащую сотни ядер. Но до сих пор мы очень мало знали о том, в какой степени ядра одного мышечного волокна отличаются друг от друга с точки зрения их генной активности и какое влияние это оказывает на функцию мышцы.

Команда, возглавляемая профессором Кармен Бирчмайер, главой исследовательской группы по биологии развития / трансдукции сигналов в Центре молекулярной медицины Макса Дельбрюка в Ассоциации Гельмгольца (MDC), теперь раскрыла некоторые секреты, содержащиеся в этих ядрах мышечных клеток. Как сообщают исследователи в журнале Nature Communications, команда исследовала экспрессию генов клеточных ядер, используя все еще довольно новый метод, называемый одноядерным секвенированием РНК, и в процессе они столкнулись с неожиданно высоким разнообразием генетической активности.

Мышечные волокна напоминают целые ткани

"Из-за гетерогенности своих ядер одна мышечная клетка может действовать почти как ткань, которая состоит из множества очень разных типов клеток", - объясняет доктор Минчул Ким, постдокторский исследователь в команде Бирчмайера и один из двух ведущих авторов исследования. "Это позволяет клетке выполнять свои многочисленные задачи, такие как общение с нейронами или производство определенных мышечных белков."

Ким взял на себя большую часть экспериментальной работы в исследовании, и его данные также были оценены в MDC. Биоинформатический анализ был проведен доктором Альтуной Акалином, руководителем платформы биоинформатики и омики Data Science Platform в Берлинском институте медицинской системной биологии MDC (BIMSB), и доктором Ведраном Франке, постдокторантом в команде Акалина и соавтором исследования. "Только благодаря постоянному диалогу между экспериментальными и теоретическими командами мы смогли прийти к нашим результатам, которые дают важную информацию для исследований мышечных заболеваний",-подчеркивает Бирчмайер. "Новые методы в молекулярной биологии, такие как секвенирование одной клетки, создают большие объемы данных. Очень важно, чтобы вычислительные лаборатории были частью этого процесса на раннем этапе, поскольку анализ так же важен, как и генерация данных", - добавляет Акалин.

Поврежденные мышцы содержат активированные гены, стимулирующие рост

Исследователи начали с изучения экспрессии генов нескольких тысяч ядер из обычных мышечных волокон мышей, а также ядер из мышечных волокон, которые восстанавливались после травмы. Команда генетически маркировала ядра и выделяла их из клеток. "Мы хотели выяснить, можно ли наблюдать разницу в активности генов между отдыхающей и растущей мышцей", - говорит Бирчмайер.

И они действительно нашли такие различия. Например, исследователи обнаружили, что регенерирующая мышца содержит более активные гены, ответственные за запуск роста мышц. "Что действительно поразило нас, так это тот факт, что в обоих типах мышечных волокон мы обнаружили огромное разнообразие различных типов ядер, каждое из которых имеет различные паттерны генной активности", - объясняет Бирчмайер.

Натыкаясь на неизвестные типы ядер

До исследования уже было известно, что в ядрах, расположенных вблизи участка иннервации нейронов, активны другие гены, чем в других ядрах. "Однако теперь мы обнаружили много новых типов специализированных ядер, все из которых имеют очень специфические паттерны экспрессии генов", - говорит Ким. Некоторые из этих ядер расположены в скоплениях рядом с другими клетками, прилегающими к мышечному волокну: например, клетки сухожилия или перимизия-соединительнотканной оболочки, которая окружает пучок мышечных волокон.

"Другие специализированные ядра, по-видимому, контролируют местный метаболизм или синтез белка и распределены по всему мышечному волокну", - объясняет Ким. Однако пока неясно, что именно делают активные гены в ядрах: "мы столкнулись с сотнями генов в ранее неизвестных небольших группах ядер в мышечном волокне, которые, по-видимому, активированы", - сообщает Бирчмайер.

Мышечная дистрофия, по-видимому, приводит к потере многих типов ядер

На следующем этапе команда исследовала ядра мышечных волокон мышей с мышечной дистрофией Дюшенна. Это заболевание является наиболее распространенной формой наследственной мышечной дистрофии (истощения мышц) у человека. Он вызван мутацией в Х-хромосоме, поэтому в основном поражает мальчиков. Пациентам с этим заболеванием не хватает белка дистрофина, который стабилизирует мышечные волокна. Это приводит к тому, что клетки постепенно отмирают.

"В этой мышиной модели мы наблюдали потерю многих типов клеточных ядер в мышечных волокнах", - сообщает Бирчмайер. Другие типы больше не были организованы в кластеры, как ранее наблюдала команда, а были разбросаны по всей клетке. "Я не могла поверить в это, когда впервые увидела его", - рассказывает она. -Я попросил свою команду повторить одноядерное секвенирование непосредственно перед дальнейшим исследованием находки." Но результаты остались прежними.

Ядра мышей напоминают ядра человеческих пациентов

"Мы также обнаружили некоторые специфические для болезни ядерные подтипы",-сообщает Бирчмайер. Некоторые из них являются ядрами, которые лишь в небольшой степени транскрибируют гены и находятся в процессе отмирания. Другие-это ядра, содержащие гены, которые активно восстанавливают поврежденные миофибры. "Интересно, что мы также наблюдали это увеличение активности генов в мышечных биопсиях пациентов с мышечными заболеваниями, предоставленных Миологической лабораторией профессора Симоны Шпулер в MDC", - говорит Бирчмайер. - Похоже, именно так мышца пытается противодействовать повреждениям, связанным с болезнью."

"С помощью нашего исследования мы представляем мощный метод для исследования патологических механизмов в мышцах и для проверки успеха новых терапевтических подходов", - заключает Бирчмайер. Поскольку мышечные нарушения также наблюдаются при различных других заболеваниях, таких как диабет и возрастная или онкологическая атрофия мышц, этот подход также может быть использован для лучшего исследования этих изменений. "Мы уже планируем дальнейшие исследования с другими моделями заболеваний", - подтверждает Ким.

ИСТОЧНИК