Science重磅！老树开新花，看美颜神器透明质酸如何登上顶刊

如果对透明质酸陌生的话，那么一定不会对玻尿酸感到陌生，他们的分子式都是(C14H21NO11)n，是D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺两个双糖单位组成的糖胺聚糖。今天让我们一起来领略一下“玻尿酸”的魅力，看其是如何登顶《Science》的。

透明质酸对皮肤的作用广为人知，而加拿大渥太华大学的F. Jeffrey Dilworth等人发现其对肌肉干细胞（Muscle stem cells，MuSCs）的再生也至关重要。相关研究以题为《JMJD3 activated hyaluronan synthesis drives muscle regeneration in an inflammatory environment》于2022年8月4日发表在《Science》上。

科学问题

肌肉损伤后，只有当MuSCs与炎症组织中的免疫细胞相互协调作用，才能确保有效的修复。但这些细胞如何协调作用，以确保在产生新的肌肉纤维之前有效地去除坏死组织仍然未知。

MuSCs为损伤的肌肉组织提供了一种有效的再生修复模式。受损肌纤维坏死和肌因子的释放，促使招募各种组织驻留和浸润细胞，以协调肌肉的修复。再生环境对信号整合的严格控制，促进了肌肉祖细胞的扩增，从而介导肌纤维的修复和干细胞生态位的再生。最近一项研究确定了一群组织浸润的巨噬细胞，这群巨噬细胞建立了一个瞬时生态位，是休眠的MuSCs重新进入细胞周期的必需条件。但是MuSCs如何适应这种改良的生态位并启动再生，尚不清楚。

干细胞从休眠状态过渡到增殖状态，其H3K27me3总体水平下降

MuSCs对损伤的反应是经历应激反应，并伴随着表观遗传景观的改变。在MuSCs损伤诱导的不同表观遗传变化中，随着干细胞从休眠状态过渡到增殖状态，三甲基化组蛋白H3赖氨酸27（H3K27me3）的总体水平下降。H3K27me3标记的去除由KDM6家族的H3K27去甲基化酶介导，其中包括JMJD3和UTX蛋白。尽管H3K27me3标记与转录抑制密切相关，但主动去除H3K27me3对组织发育和修复的重要性受到质疑，因为缺乏JMJD3和UTX的小鼠胚胎可存活到足月。然而，损伤后的再生与炎症有关，与组织发育不同。因此，本文研究了JMJD3和UTX的H3K27去甲基化对于MuSCs适应受伤肌肉中再生生态位的重要性。

JMJD3和UTX在MuSCs介导的再生中起着非冗余作用

Utx和Jmjd3基因广泛地表达，这两种蛋白质都存在于休眠的MuSCs中。为了确定每个H3K27去甲基化酶如何促进再生，构建了MuSCs特异性敲除Utx和 Jmjd3的小鼠UTXscko、JMJD3scko，使用急性心脏毒素 (CTX)构建胫骨前肌 (TA) 肌肉的损伤，UTXscko和 JMJD3scko均表现出肌纤维再生受损，证明KDM6蛋白不能在MuSCs介导的再生中相互补偿。为了研究UTX和JMJD3的特定作用，在损伤后40小时对分离纯化的MuSCs进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。拟时序分析表明，JMJD3scko的MuSCs的早期激活基因显著富集，而UTXscko的MuSCs的增殖基因集显著富集。这些结果表明，JMJD3可能是MuSCs从休眠状态过渡到增值状态所必需的。使用EdU来鉴定DNA复制的细胞，观察到当缺乏JMJD3时，MuSCs进入细胞周期时受损。因此，JMJD3（不是UTX）是激活MuSCs所必需的。同时发现UTX（不是JMJD3），是MuSCs退出细胞周期并进行终末分化所必需的。因此，JMJD3和UTX在MuSCs介导的再生中起着非冗余作用。（图1）

图1 JMJD3和UTX在肌肉再生中起着非冗余作用，其中JMJD3是损伤诱导的卫星细胞激活所必需的

JMJD3是如何参与MuSCs激活过程的呢？

那么，JMJD3是如何参与MuSCs激活过程的呢？本研究采用离体实验来探索其中的奥秘。在未受损伤的小鼠中，JMJD3scko和野生型对照小鼠的MuSCs进入细胞周期的能力相同。因此，在没有肌肉损伤的情况下，JMJD3对于进入细胞周期不是必需的。这表明，MuSCs可能需要JMJD3介导的去除H3K27me3来整合再生环境的信号。为了验证这一点，在JMJD3scko的一条腿上构建肌肉损伤， 36小时后测量对侧腿分离的MuSCs进入周期的能力，发现缺乏JMJD3的MuSCs其重新进入细胞周期的能力受损。从野生型小鼠受伤的肌肉制备的可溶性提取物也可以抑制缺乏JMJD3的MuSCs再次进入细胞周期。这表明抑制MuSCs激活的循环因子独立于JMJD3，是从受伤的肌肉中释放出来的。因此，JMJD3通过克服再生再生生态位的抑制信号，以非细胞自主方式促进MuSCs的激活。使用肌营养不良小鼠的肌肉（MdxMusEx）制备提取物，发现JMJD3在慢性变性条件下是MuSCs激活所必需的，强调了JMJD3在肌肉萎缩中介导MuSCs激活的重要性。（图2）

图2 JMJD3以非细胞自主方式介导MuSCs的激活

MuSCs中JMJD3靶基因的鉴定

联合基因组学和转录组学，进一步鉴定了MuSCs中JMJD3的靶基因。基于以下三个属性定义了JMJD3直接靶标：（1）在JMJD3scko d的MuSCs中表达下降；（2）JMJD3在启动子的2500个碱基对内结合；（3）在JMJD3消融时的基因附近积累了H3K27me3的标记。在符合这些标准的41个基因中，作者聚焦在编码细胞外基质（ECM）相关蛋白的基因上（原因：可能促进与再生环境的交流）。令人兴奋的是发现了Has2，因为它编码了参与合成透明质酸（Hyaluronic acid，HA）的关键酶，透明质酸（HA）是一种糖胺聚糖，可结合ECM以改变其刚性，同时充当各种信号通路的变阻器。通过重新分析已发布的数据集，发现Has2不是休眠的MuSCs中表达，但随着MuSCs重新进入细胞周期，其在受伤的肌肉中显著上调。（图3）

图3 Has2是JMJD3的直接转录靶标

透明质酸对受伤组织具有抗炎作用和促再生活性

在损伤40小时后的再生肌肉中，HA包被野生型或营养不良小鼠活化的MuSCs，同时也有助于坏死肌纤维的ECM。而缺失JMJD3的MuSCs却无HA包被，尽管坏死的ECM中存在HA。HA可动态地结合到MuSCs的ECM中表明，它可能在健康肌肉的再生中也发挥重要作用。为了验证这一点，本文使用化学抑制剂4-甲基伞形酮（4-MU）来抑制野生型MuSCs中HA的产生。纯化的野生型MuSCs（来自未受伤的小鼠）能够在4-MU存在下有效地退出休眠，4-MU与受损肌肉提取物一起孵育相同的MuSCs，显示再次进入细胞周期受损。因此，野生型MuSCs需要合成HA来修复损伤后的肌肉。在培养物中添加外源性HA对于缺失JMJD3的MuSCs可以克服再次进入细胞周期的抑制，进一步强调了MuSCs的HA进入ECM的重要性，以响应再生生态位的信号来启动MuSCs扩增。最后，本文探索了自然生态位衍生信号的性质，这些信号会阻碍缺乏JMJD3的MuSCs再次进入细胞周期。RNA-seq基因组富集分析(GSEA)鉴定出JMJD3scKO小鼠MuSCs中IFN-γ、IL-6和TNF-α细胞反应上调。使用重组细胞因子，在培养基中添加外源性的IFN-γ或IL-6足以损害JMJD3scKO的MuSCs细胞再次进入细胞周期。而在损伤后24小时，存在于再生生态位内的巨噬细胞（Ly6C+细胞）可表达IFN-γ和IL-6，而这些细胞因子有助于损害MuSCs激活的信号传导。而这种促炎信号，还可能被再生肌肉中嗜中性粒细胞分泌的IFN-γ和IL-6所强化。因此，本文观点提出，来自再生环境的免疫细胞产生的促炎性细胞因子（包括IFN-γ和IL-6），在抑制MuSCs退出休眠起着关键作用。为了克服细胞因子介导的干细胞功能阻滞，MuSCs以JMJD3依赖性方式启动Has2的表达，使得HA进入到重塑的ECM中，促使干细胞能够接收再生信号。因此，HA对受伤组织具有抗炎作用和促再生活性作用（刺激MuSCs再生）。（图4）

图4 HA并入MuSCs的ECM允许退出休眠状态

总结

该研究揭示了表观遗传酶JMJD3通过促进JMJD3靶基因Has2的表达，来促进MuSCs对再生生态位的适应。由此产生的HA使得MuSCs能够整合来自局部环境的促再生信号，从而促进损伤肌肉的修复。

本文发现透明质酸是MuSCs再生的关键环节，它能告诉MuSCs何时苏醒。文章第一作者Kiran Nakka博士说：“有趣的是，衰老与慢性炎症、肌肉无力以及肌肉干细胞唤醒和修复损伤的能力降低有关。如果我们能找到一种提高老年人肌肉干细胞中透明质酸生成的方法，将可能有助于肌肉修复。”

该文显示透明质酸的再生作用取决于肌肉干细胞产生HA的能力。该团队目前也正在研究使用改变MuSCs表观遗传学的药物，来增加其产生透明质酸的能力。

该文以四平八稳的研究方法，意外的科学发现，使得这篇Science字里行间都弥漫着诱人的铜臭味（透明质酸巨大的医用及商用价值）。

全文连接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9735

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