玻尿酸除了美容还能唤醒干细胞？其在肌肉修复中起重要作用_风闻

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骨骼肌组织是人体中最大的组织之一，其对人体的运动功能有着至关重要的作用。骨骼肌受损后，有自我恢复的功能。这包括了静止的肌肉干细胞（Muscle stem cells）的激活，免疫细胞的浸润与炎症反应等。这种恢复过程的详细机理，还不为人所知。Nakka et al. 发现肌肉干细胞通过JMJD3的去甲基化活性表观遗传调控了透明质酸（又名，玻尿酸）的合成，从而克服了损伤环境中的抑制性炎症因子的作用，从而退出静止并启动修复。

该工作以JMJD3 activated hyaluronan synthesis drives muscle regeneration in an inflammatory environment为题于2022年8月4日发表于《科学》杂志（Science） 【1】。

肌肉损伤后，肌肉干细胞表现出不同水平的表观遗传学改变。而肌肉干细胞退出静止（quiescence）则伴随着组蛋白H3赖氨酸27甲基化（H3K27me3）的全局下调 【2】。

作者发现同属KDM6去甲基化酶蛋白家族的UTX与JMJD3在包括静止的肌肉干细胞的各类细胞类型中广泛表达。随后，构建了泰莫西芬（tamoxifen）诱导的Utx或Jmjd3特异性敲除肌肉干细胞系。通过心脏毒素（cardiotoxin）在上述细胞系与野生型细胞中诱发急性细胞损伤，观察其修复与纤维再生，作者确定了JMJD3在肌肉细胞纤维再生过程中起重要作用。失去去甲基化酶活的JMJD3无法使得肌肉干细胞重新进入细胞周期，纤维再生能力降低，这与JMJD3敲除细胞系表型类似。

图一. 损伤后肌肉干细胞的激活需要JMJD3

有趣的是，在未受损伤的肌肉细胞中，哪怕缺失了JMJD3，肌肉细胞仍然可以被修复。而在小鼠实验中，单侧腿的胫骨前肌受到损失，对侧腿的肌肉修复过程在JMJD3敲除条件下也会被抑制。这说明存在一种可溶性的因子，会在肌肉细胞受损后被释放，并抑制相关的肌肉修复过程。而JMJD3的作用是克服该因子的抑制作用，使得肌肉干细胞重新进入周期，开启修复。

为了进一步阐明JMJD3在细胞损伤修复过程中的作用机理，作者需要回答两个问题。一，这种因子是什么？二，JMJD3是如何克服该因子的抑制作用的？作者使用了包括基因探针富集分析（Gene set enrichment analysis），基因组与转录组联合分析等一系列生物信息学方法，结合小鼠实验，回答了上述问题。

作者发现干扰素γ（interferon- γ）、白细胞介素6（interleukin-6）在受损肌肉细胞环境中得到上调。体外实验证明该两种因子可以抑制肌肉干细胞进入细胞周期。在损伤后微环境中出现的巨噬细胞和中心粒细胞，则有可能是这些炎症因子的来源  【1、3】。

图二. 透明质酸整合进入细胞外基质，推动了肌肉干细胞退出静止

为了找到JMJD3的调控对象，作者设置了三条筛选标准：1）在JMJD3敲除细胞系中表达量下调，2）启动子2500bp内有JMJD3结合位点，以及3）JMJD3敲除后该基因附近区域有H3K27me3的富集。有41个基因满足上述条件。

基于此，作者特别关注的是一个编码参与透明质酸（hyaluronic acid）合成的酶的基因Has2。透明质酸是细胞外基质的组成部分，并且参与众多信号通路的调控 【4】。作者发现损伤后40小时在野生型细胞周围有透明质酸包裹，而在JMJD3敲除细胞系则观察不到该特征。当用化学抑制剂阻断透明质酸的合成时，野生型细胞的损伤修复也别抑制了。另一方面，在JMJD3敲除型细胞中加入额外的透明质酸，可以诱导其重新进入细胞周期并启动修复。

综上，炎症因子干扰素γ与白细胞介素6抑制了肌肉干细胞退出静止的过程，而Has2依赖JMJD3的去甲基化作用而得到激活，产生的透明质酸整合进受损细胞的细胞外基质中，使得肌肉干细胞能克服炎症因子的抑制作用重新进入细胞周期，并启动修复。

参考文献：

1.Nakka K, Hachmer S, Mokhtari Z, Kovac R, Bandukwala H, Bernard C, et al. JMJD3 activated hyaluronan synthesis drives muscle regeneration in an inflammatory environment. Science. 2022 Aug 5;377(6606):666–9.

2.Schwörer S, Becker F, Feller C, Baig AH, Köber U, Henze H, et al. Epigenetic stress responses induce muscle stem-cell ageing by Hoxa9 developmental signals. Nature. 2016 Dec 15;540(7633):428–32.

3.Yang W, Hu P. Hierarchical signaling transduction of the immune and muscle cell crosstalk in muscle regeneration. Cell Immunol. 2018 Apr 1;326:2–7.

4.Puré E, Assoian RK. Rheostatic signaling by CD44 and hyaluronan. Cell Signal. 2009 May;21(5):651–5.