玻尿酸除了美容還能喚醒幹細胞？其在肌肉修復中起重要作用_風聞

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骨骼肌組織是人體中最大的組織之一，其對人體的運動功能有着至關重要的作用。骨骼肌受損後，有自我恢復的功能。這包括了靜止的肌肉幹細胞（Muscle stem cells）的激活，免疫細胞的浸潤與炎症反應等。這種恢復過程的詳細機理，還不為人所知。Nakka et al. 發現肌肉幹細胞通過JMJD3的去甲基化活性表觀遺傳調控了透明質酸（又名，玻尿酸）的合成，從而克服了損傷環境中的抑制性炎症因子的作用，從而退出靜止並啓動修復。

該工作以JMJD3 activated hyaluronan synthesis drives muscle regeneration in an inflammatory environment為題於2022年8月4日發表於《科學》雜誌（Science） 【1】。

肌肉損傷後，肌肉幹細胞表現出不同水平的表觀遺傳學改變。而肌肉幹細胞退出靜止（quiescence）則伴隨着組蛋白H3賴氨酸27甲基化（H3K27me3）的全局下調 【2】。

作者發現同屬KDM6去甲基化酶蛋白家族的UTX與JMJD3在包括靜止的肌肉幹細胞的各類細胞類型中廣泛表達。隨後，構建了泰莫西芬（tamoxifen）誘導的Utx或Jmjd3特異性敲除肌肉幹細胞系。通過心臟毒素（cardiotoxin）在上述細胞系與野生型細胞中誘發急性細胞損傷，觀察其修復與纖維再生，作者確定了JMJD3在肌肉細胞纖維再生過程中起重要作用。失去去甲基化酶活的JMJD3無法使得肌肉幹細胞重新進入細胞週期，纖維再生能力降低，這與JMJD3敲除細胞系表型類似。

圖一. 損傷後肌肉幹細胞的激活需要JMJD3

有趣的是，在未受損傷的肌肉細胞中，哪怕缺失了JMJD3，肌肉細胞仍然可以被修復。而在小鼠實驗中，單側腿的脛骨前肌受到損失，對側腿的肌肉修復過程在JMJD3敲除條件下也會被抑制。這説明存在一種可溶性的因子，會在肌肉細胞受損後被釋放，並抑制相關的肌肉修復過程。而JMJD3的作用是克服該因子的抑制作用，使得肌肉幹細胞重新進入週期，開啓修復。

為了進一步闡明JMJD3在細胞損傷修復過程中的作用機理，作者需要回答兩個問題。一，這種因子是什麼？二，JMJD3是如何克服該因子的抑制作用的？作者使用了包括基因探針富集分析（Gene set enrichment analysis），基因組與轉錄組聯合分析等一系列生物信息學方法，結合小鼠實驗，回答了上述問題。

作者發現干擾素γ（interferon- γ）、白細胞介素6（interleukin-6）在受損肌肉細胞環境中得到上調。體外實驗證明該兩種因子可以抑制肌肉幹細胞進入細胞週期。在損傷後微環境中出現的巨噬細胞和中心粒細胞，則有可能是這些炎症因子的來源  【1、3】。

圖二. 透明質酸整合進入細胞外基質，推動了肌肉幹細胞退出靜止

為了找到JMJD3的調控對象，作者設置了三條篩選標準：1）在JMJD3敲除細胞系中表達量下調，2）啓動子2500bp內有JMJD3結合位點，以及3）JMJD3敲除後該基因附近區域有H3K27me3的富集。有41個基因滿足上述條件。

基於此，作者特別關注的是一個編碼參與透明質酸（hyaluronic acid）合成的酶的基因Has2。透明質酸是細胞外基質的組成部分，並且參與眾多信號通路的調控 【4】。作者發現損傷後40小時在野生型細胞周圍有透明質酸包裹，而在JMJD3敲除細胞系則觀察不到該特徵。當用化學抑制劑阻斷透明質酸的合成時，野生型細胞的損傷修復也別抑制了。另一方面，在JMJD3敲除型細胞中加入額外的透明質酸，可以誘導其重新進入細胞週期並啓動修復。

綜上，炎症因子干擾素γ與白細胞介素6抑制了肌肉幹細胞退出靜止的過程，而Has2依賴JMJD3的去甲基化作用而得到激活，產生的透明質酸整合進受損細胞的細胞外基質中，使得肌肉幹細胞能克服炎症因子的抑制作用重新進入細胞週期，並啓動修復。

參考文獻：

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.