Включение "молчащего" гена восстанавливает регенерацию тканей у мышей

Исследование под руководством Национального института биологических наук в Пекине показало, что активация одного "спящего" гена позволяет мышам регенерировать ткань уха.

Некоторые позвоночные, такие как саламандры и рыбы, могут точно регенерировать сложные структуры тканей. Утраченная конечность может отрасти заново, повреждённое сердце или глаз — восстановиться. Саламандры настолько преуспели в реконструкции повреждённых тканей, что даже травма спинного мозга с разрывом нейронных связей может быть восстановлена.

Млекопитающие иногда также демонстрируют способность к регенерации. Рога оленя и козы — примеры регенерации живой ткани. Мыши могут отрастить кончики пальцев, если те утрачены. Здоровая печень человека может восстановиться почти до полного размера за несколько недель после потери до 70% ткани.

Однако в большинстве случаев млекопитающие, по-видимому, заменили древнюю способность к регенерации тканей рубцеванием — компромиссом, повышающим немедленную выживаемость после травмы за счёт закрытия и герметизации раны.

Ранее регенерация ткани уха после прокола изучалась на особых линиях мышей Murphy Roths Large, которые способны полностью закрывать 2-миллиметровые проколы в ухе без рубцевания. Они могут регенерировать хрящ, дерму, эпидермис, волосяные фолликулы и даже нервы в ткани уха, а также показали некоторую способность восстанавливать повреждения сердца. Кролики также обладают способностью регенерировать отверстия в ткани уха, что позволяет предположить, что эта способность могла быть унаследована от общего предка.

Кролики и мыши — родственные виды, имеющие общего предка около 90 миллионов лет назад, который ранее, примерно в то же время, отделился от предка приматов, включая человека. Миллионы лет раздельной эволюции оставили сам ген регенерации нетронутым, но изменили его экспрессию, подавив древний регенеративный ответ у большинства грызунов, который всё ещё используют некоторые мыши и линия кроликов.

В исследовании "Реактивация регенерации у млекопитающих путём включения эволюционно отключённого генетического переключателя", опубликованном в Science, учёные провели сравнительный геномный анализ регенерирующих млекопитающих (кроликов, коз и африканских колючих мышей) и нерегенерирующих (лабораторных мышей и крыс).

Анализируя восстановление после травмы ушной раковины у этих млекопитающих, исследователи использовали секвенирование РНК единичных клеток, пространственное транскриптомное профилирование, полногеномное секвенирование РНК, ChIP-seq, ATAC-seq и Micro-C, чтобы выявить различия в активности генов в раневых фибробластах — специализированных клетках, критически важных для регенерации тканей.

Результаты регенерации оценивались на 10 кроликах и 10 нерегенерирующих лабораторных мышах. Для молекулярного анализа объединяли ткани шести животных на один повтор при трёх повторностях на каждый момент времени. У мышей действительно формировались начальные кластеры клеток, похожие на бластему, что указывало на потенциал к регенерации, но процесс переходил в лёгкое рубцевание без регенерации.

Генетический анализ указал на потенциальное различие между моделями мыши и кролика. У кроликов накопление ретиноевой кислоты предшествовало регенерации. Она синтезировалась из ретиналя ферментом под названием Альдегиддегидрогеназа 1 семейства A2 (Aldh1a2). Мыши также экспрессировали фермент Aldh1a2, но его было почти нет, и он был недостаточен для выработки значительного количества ретиноевой кислоты.

Тестирование показало, что добавление одной только ретиноевой кислоты (примечательно, что не её предшественника ретинола) полностью восстанавливало регенерацию хряща и других структур уха у мышей и крыс. И наоборот, ингибирование выработки ретиноевой кислоты препятствовало регенерации у кроликов, подтверждая её критическую роль.

Исследователи создали трансгенных мышей, несущих регуляторный энхансер AE1, полученный от кролика. Вставка этого единственного генетического элемента увеличивала экспрессию Aldh1a2 после травмы и индуцировала отрастание хряща и других структур уха.

Отрастание у трансгенных мышей было неполным по сравнению с полностью восстановленными ушами мышей, получавших ретиноевую кислоту, что позволяет предположить, что для продолжения процесса после начальной травмы могут потребоваться дополнительные энхансеры и взаимодействия с промоторами.

Генетический анализ выявил регуляторные элементы, необходимые для регенерации после травмы, которые стали неактивными у нерегенерирующих видов. Реактивация этого генетического переключателя индуцировала регенерацию повреждённых структур, а обход генетического механизма путём поставки ретиноевой кислоты работал ещё лучше.

Полученные результаты должны вдохновить новую волну исследований в области регенеративной медицины, направленных на использование скрытого потенциала для предотвращения рубцевания путём активации потенциально "дремлющих" механизмов, уже готовых к отращиванию повреждённых тканей волос, кожи, нервов и хрящей.