「保湿神器」玻尿酸的新功效被发现了！唤醒干细胞，修复受损肌肉，研究成果登上 Science
丁香学术
导读
透明质酸，又名玻尿酸，是一种酸性粘多糖，以其独特的分子结构和理化性质在机体内显示出多种重要的生理功能，如润滑关节，调节血管壁的通透性，促进创伤愈合等。
不过提起玻尿酸，大家首先想到的还是其美容功能，其可作为天然保湿物质，分布于细胞间质中，能够帮助皮肤从体内及皮肤表层吸收水分，还能增强皮肤长时间的保水能力，使得弹力纤维及胶原蛋白处在充满湿润的环境中，皮肤也因此更富弹性。最近，有研究人员发现，透明质酸对于促进肌肉干细胞启动肌肉修复也非常重要。
2022 年 8 月 4 日，这项研究以 JMJD3 activated hyaluronan synthesis drives muscle regeneration in an inflammatory environment 为题发表在国际顶级期刊 Science 中。该研究证明了 H3K27 去甲基化酶 JMJD3 驱动的透明质酸（玻尿酸）合成发挥着促进肌肉再生的作用，调控肌肉干细胞启动肌肉修复。
具体来说，JMJD3 通过去除 Has2 位点的 H3K27me3 标记来启动透明质酸的产生，从而建立细胞外基质，整合信号通路的传导，并最终促使 MuSCs 退出静息状态。
图片来源：Science
研究背景
肌肉干细胞（Muscle stem cells, MuSCs）为骨骼肌损伤组织的再生提供了一种有效的细胞源。在肌肉受到损伤后，再生过程由受损肌纤维的坏死和肌因子的释放启动，肌因子指导各种组织常驻细胞和浸润细胞的招募，以协调肌肉修复。因此，再生微环境对信号整合的严格调控促进了肌肉祖细胞的扩张，从而介导肌纤维修复和干细胞微环境再生。
在对肌肉损伤的反应中，MuSCs 经历了一种应激反应，并伴随着表观遗传的改变。在损伤诱导的不同表观遗传变化中，随着干细胞从静息状态转变为增殖状态，H3K27me3 的整体水平降低，H3K27me3 标记的去除是由 H3K27 去甲基化酶 KDM6 家族介导的，包括 JMJD3 和 UTX 蛋白。
主要研究内容
JMJD3 在损伤诱导的卫星细胞激活中是必需的
首先，研究人员观察到两种 H3K27 去甲基化酶 UTX 和 JMJD3 都存在于静息 MuSCs 中。为了确定 UTX 和 JMJD3 是如何促进再生的，他们在 MuSCs 中特异性敲除了 Utx (UTXscKO) 或 Jmjd3（JMJD3scKO）。在胫骨前肌的损伤模型中，他们发现 UTXscKO 和 JMJD3scKO 小鼠都表现出肌纤维再生的受损。
为了研究 UTX 和 JMJD3 的具体作用，他们对肌肉损伤 40 小时后分离的纯化 MuSCs 进行了单细胞转录组测序。拟时序分析结果表明 JMJD3scKOMuSCs 富集 MuSCs 早期活化基因，而 UTXscKO 细胞则继续增殖，这提示 JMJD3 可能是 MuSCs 从静息到增殖状态有效过渡所必需的。此外，他们观察到缺乏 JMJD3 的 MuSCs 在进入细胞周期的过程中受损。因此，有效激活 MuSCs 需要 JMJD3，而不是 UTX。这说明 JMJD3 通过 H3K27 去甲基化作用，促进损伤肌肉中 MuSCs 退出静息状态。
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JMJD3 以非细胞自主的方式介导 MuSCs 激活
接下来，他们通过体外实验探索 JMJD3 参与激活过程的机制。使用从非损伤小鼠中纯化的 MuSCs，他们惊奇地发现 JMJD3scKO MuSCs 与野生型 MuSCs 在相同的程度上重新进入细胞周期。因此，在没有肌肉损伤的情况下，JMJD3 对细胞周期再进入不是必需的；而对于 MuSCs 来说，整合来自再生环境的信号可能需要 JMJD3 介导的 H3K27me3 去甲基化。
为了验证这一点，他们对 JMJD3scKO 小鼠的一条腿进行肌肉损伤，然后等待 36 小时后测量从对侧腿分离的 MuSCs 细胞周期再进入状态。结果发现，当从远端损伤恢复时，缺乏 JMJD3 的 MuSCs 重新进入细胞周期的能力受损。这表明，抑制 MuSCs 激活的循环因子是由损伤的肌肉释放的，而不依赖于 JMJD3。JMJD3 通过克服再生微环境中产生的抑制信号，以非细胞自主的方式促进了 MuSCs 的激活。
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Has2 是 JMJD3 的直接靶点
为了在 MuSCs 中识别 JMJD3 的靶基因，他们结合使用了基因组学和转录组学数据，共鉴定出符合标准的 41 个基因。他们重点研究了那些编码细胞外基质（ECM）相关蛋白的基因，因为它们可能促进与再生微环境的交流。其中，Has2 特别吸引了研究人员的注意，因为它编码了一种参与合成透明质酸（HA）的关键酶，透明质酸是一种糖胺聚糖聚合物，可整合到 ECM 中改变硬度，同时充当各种信号通路的「变阻器」（rheostat）。
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透明质酸可唤醒肌肉干细胞
与上述发现一致的是，他们观察到在损伤后 40 小时的肌肉再生中，透明质酸包裹着野生型或肌营养不良小鼠激活的心肌细胞，同时也促进了坏死肌纤维的细胞外基质形成。将透明质酸动态合并到心肌细胞的细胞外基质中提示其可能在健康肌肉再生中发挥重要作用。
为了验证这一点，他们使用化学抑制剂来抑制野生型 MuSCs 中的透明质酸。结果发现，经抑制剂处理后，和 MuSCs 一起孵化的损伤肌肉提取物在进入细胞周期这一过程中受损。这一结果表明，野生型 MuSCs 需要合成透明质酸来修复损伤后的肌肉。此外，在培养基中加入外源透明质酸就足以使 JMJD3scKO MuSCs 克服对细胞周期再进入的抑制，进一步肯定了透明质酸加入到 MuSCs 的 ECM 中，会启动细胞群增殖以响应来自再生微环境的信号。
最后，他们还探索了再生微环境衍生信号的本质。结果发现，在培养基中添加外源性促炎细胞因子 IFN-g 或 IL-6 足以损害 JMJD3scKO MuSCs。表明免疫细胞在再生微环境中产生的促炎细胞因子在阻止 MuSCs 过早退出静息期中发挥着关键作用。
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结语
综上所述，本研究发现了调控肌肉修复的一种独特的形式，并证明透明质酸这一应用于化妆品中的天然物质，是调控这一过程的关键分子，为促进肌肉再生开辟了新途径。
该研究创新性地揭示了表观遗传酶 JMJD3 通过促进其靶基因 Has2 的表达来调控 MuSC 对肌肉再生微环境的适应。产生的透明质酸使得肌肉干细胞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。
「当肌肉受损时，免疫细胞在干细胞开始修复之前迅速进入组织并消除损伤是很重要的，」该研究的作者 Jeffrey Dilworth 博士说，「我们的研究表明，肌肉干细胞已经准备好立即开始修复，但免疫细胞在完成清理工作时将干细胞保持在静止状态。大约 40 小时后，一旦清理工作完成，肌肉干细胞中的内部警报就会响起，使它们能够醒来并开始修复。」
透明质酸正是这个内部闹钟的关键成分，它告诉肌肉干细胞何时醒来。当肌肉损伤发生时，干细胞开始产生并用透明质酸覆盖自己。一旦涂层变得足够厚，它就会阻挡来自免疫细胞的睡眠信号，并导致肌肉干细胞醒来。
当肌肉纤维受损时，肌肉干细胞（粉红色）开始产生并用透明质酸（淡绿色轮廓）覆盖自己。一旦涂层变得足够厚，就会导致肌肉干细胞苏醒。（Credit by Dr. Kiran Nakka）
同时，作者指出透明质酸的再生作用似乎取决于它由肌肉干细胞产生。该团队目前正在研究改变肌肉干细胞表观遗传学的药物是否可用于增加透明质酸的产生。
