Механизм омоложения старых клеток в молодом матриксе и наоборот?

Ткани нашего тела состоят из клеток и окружающего их пространства, которое называют внеклеточной средой или матриксом. Основной белок, формирующий этот матрикс во многих тканях, – это коллаген. Однако с возрастом коллагеновые волокна сшиваются между собой веществом под названием глюкозепан. Это уменьшает их подвижность и делает внеклеточную среду жёстче.

Каждая клетка имеет рецепторы и внутренний скелет, и более жёсткая среда начинает давить на неё. Клетка цепляется своими рецепторами за коллаген, но теперь, из-за его жёсткости, она словно ""тянется"" за него, что меняет её форму [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29212889] [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29510460]. Это воздействие доходит до ядра клетки, где хранится ДНК. Когда форма ядра меняется, открываются новые участки ДНК, которые раньше были недоступны. В результате начинают активироваться гены, которые раньше не работали, и клетка начинает производить новые белки. Ядро клетки — это особая часть, которая постоянно испытывает различные механические воздействия. Его форма и жесткость окружающей ткани могут влиять на работу генов, изменяя структуру ДНК из-за механического напряжения [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33810253] [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29212889].

В следующем исследовании рассказывается, как Кристоф Гийи коллегами напрямую воздействовали на ядро клетки, используя метод ""магнитных пинцетов"". Они прикрепили к ядру крошечные магнитные шарики, связанные с белком несприн-1, который помогает соединять ядро с цитоскелетом клетки. Этот белок — часть структуры под названием LINC-комплекс, который действует как мост между ядром и цитоскелетом. Когда ученые тянули за эти шарики с помощью магнитов, они фактически моделировали механическое воздействие, похожее на то, которое цитоскелет мог бы оказывать на ядро при различных движениях или изменениях клеточной формы.

Они заметили, что при каждом следующем усилии ядро становилось все жестче, и шарики смещались все меньше. Это показывает, что ядро способно адаптироваться и становиться жестче в ответ на давление, подобное тому, которое может исходить от цитоскелета.

Чтобы понять, влияет ли это давление на активность генов, ученые исследовали, какие гены «включаются» под этим воздействием. Они обнаружили, что определенные гены, реагирующие на механическое давление, действительно активируются. Это связано с изменениями внутри ядра и особенно с белком эмерином, который укрепляет связи в оболочке ядра. Экспрессию генов оценивали методом количественной ПЦР для анализа активности механочувствительных генов.

Главный вывод исследования — механическое воздействие может передаваться на ядро через цитоскелет, что изменяет форму ядра, его жесткость и даже активность некоторых генов, не затрагивая внешние рецепторы клетки.

""Application of successive pulses of constant force triggered an increase in nuclear stiffness, resulting in decreased bead displacement ... The decrease in bead displacement was significant after the third pulse ... and reached a maximum of 35% after the sixth pulse"". Эта цитата подтверждает, что ядро клетки способно адаптироваться к приложенной силе: при каждом следующем импульсе силы жесткость ядра возрастает, что выражается в уменьшении смещения шариков. Это показывает адаптацию ядра к механическому давлению, что имитирует силы, которые ядро могло бы испытывать от цитоскелета.

""We next analysed the effect of emerin phosphorylation on mechanosensitive gene expression ... Expression data were normalized ... VCL, SRF, CTGF, ANKRD1 and GAPDH mRNA levels were analysed by real-time qPCR in emerin-knockdown MRC5 cells re-expressing WT or the 74-95FF emerin mutant"". В этой цитате идет речь идет об анализе экспрессии генов, чувствительных к механическому давлению, при участии белка эмерина, который укрепляет связи в оболочке ядра. Метод количественной ПЦР был использован для измерения активности таких генов, как VCL, SRF, CTGF, и ANKRD1, что демонстрирует изменение их экспрессии в ответ на механическое воздействие, зависящее от состояния эмерина [nature.com/articles/ncb2927].

Это иллюстрирует то, что изменить экспрессию генов без изменения жёсткости окружающей клетку среды может быть проблематичным. Также это в пользу того, что изменить эпигенетику клетки легко можно, если она изолирована от внеклеточного матрикса.

Дело в том, что изменения формы ядра делает недоступным для считывания некоторые области ДНК. И в этой ситуации уже ничего сделать нельзя, пока доступ не будет открыт.

Давление, создаваемое изменениями осмоляльности, изменяет морфологию клетки и ядра, приводя к деформации ядра в разных направлениях. Эти изменения в структуре хроматина могут влиять на доступность ДНК для транскрипции [pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3576538]. Экспрессия генов зависит от организации хроматина, причем подавление генов обычно связано с более высокими уровнями уплотнения, известного как гетерохроматин, по сравнению с менее конденсированным эухроматином [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9413993] [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10366586].

Когда гены перемещаются к ядерной ламине (внутренней оболочке ядра), они могут становиться неактивными [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18272965].

Так, гены, отвечающие за производство антител, занимают разные позиции в ядре клетки на разных стадиях развития В-лимфоцитов, которые отвечают за иммунный ответ. На ранних стадиях эти гены расположены ближе к краям ядра и остаются неактивными, а по мере созревания В-лимфоцитов перемещаются к центру ядра и подвергаются изменениям, позволяющим им активироваться и производить антитела [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11935030].

Механическое воздействие на клеточное ядро может приводить к перемещению генов к ядерной ламине, что сопровождается их репрессией. Для определения этого эффекта использовался метод DamID (DNA adenine methyltransferase identification), позволяющий выявлять взаимодействия между хроматином и ядерной ламиной. В частности, было установлено, что при механическом сдавливании ядра определенные генные локусы перемещаются к ядерной оболочке, что коррелирует с подавлением их активности [pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3575008].

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29212889/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29510460/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33810253/
https://www.nature.com/articles/ncb2927
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23442954/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9413993/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10366586/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18272965/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11935030/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22655599/