Постепенно укорачивающиеся теломеры – защитные колпачки на концах хромосом – могут быть причиной ослабленных, увеличенных сердец, которые убивают многих больных мышечной дистрофией Дюшенна, согласно исследованию исследователей из Медицинской школы Стэнфордского университета.
Исследователи обнаружили, что укорочение произошло именно в клетках сердечной мышцы или кардиомиоцитах лабораторных мышей, выведенных для моделирования болезни. Укорочение вызвало реакцию повреждения ДНК, которая поставила под угрозу функцию генераторов энергии клеток или митохондрий. В результате кардиомиоциты не могли эффективно перекачивать кровь по всему телу.
Новое исследование является продолжением исследования 2010 года, опубликованного в Cell, и исследования 2013 года, опубликованного в Nature Cell Biology теми же исследователями. Он определяет возможные новые терапевтические подходы к мышечной дистрофии Дюшенна и впервые связывает молекулярные точки между ранее разрозненными наблюдениями в пораженных клетках.
"Это первый случай, когда укорочение теломер было напрямую связано с функцией митохондрий через реакцию на повреждение ДНК в неделящихся клетках," сказала Хелен Блау, доктор философии, профессор микробиологии и иммунологии. "Мы обрисовали в общих чертах молекулярные этапы этого процесса, которые приводят к смерти, предоставив новое понимание состояния и выявив альтернативные стратегии предотвращения сердечной недостаточности у пациентов с Дюшеном."
Исследователи использовали мышиную модель заболевания, которую они разработали для исследования 2013 года, которое впервые точно воспроизвело мышечную дистрофию Дюшенна у людей.
Продолжающееся укорачивание теломер в кардиомиоцитах особенно удивительно, потому что клетки редко делятся. Теломеры естественным образом уменьшаются в длине с каждым делением клетки, действуя как своего рода молекулярные часы, отсчитывающие продолжительность жизни клетки. Их длина обычно стабильна в здоровых тканях, которые не делятся.
"У мышей деление клеток в сердце обычно прекращается в течение одной недели после рождения," сказал Блау, который также является Дональдом Э. и Делия Б. Профессор Фонда Бакстера и директор лаборатории биологии стволовых клеток Фонда Бакстера. "Но мы наблюдали независимое от пролиферации уменьшение длины теломер."
Блау – старший автор исследования, которое будет опубликовано в октябре. 31 в Трудах Национальной академии наук. Постдокторант Алекс Чанг, доктор философии, является ведущим автором.
Сложное состояние для учебы
Мышечная дистрофия Дюшенна – наиболее распространенная форма наследственных мышечных дистрофий. Это вызвано мутациями в гене дистрофина, которые ингибируют выработку белка дистрофина, который соединяет внутренний цитоскелет мышечной клетки с внешним матриксом. Но до недавнего времени это было трудно изучать, потому что мыши с одинаковой мутацией дистрофина не проявляли тех же симптомов, что и люди.
В исследовании 2013 года исследователи из лаборатории Блау обнаружили, что причина, по которой люди страдают более серьезными симптомами, чем мыши, заключается в различиях в средней длине их теломер: у мышей длина теломер составляет около 40 килобаз, а у людей – около пяти. до 15 килобаз. Когда исследователи ввели вторую мутацию у мышей, которая уменьшила длину теломер, чтобы более точно соответствовать человеческой, "очеловеченный" у животных начали проявляться типичные симптомы заболевания, включая прогрессирующую мышечную слабость, увеличенное сердце и значительно сокращенную продолжительность жизни.
В частности, исследователи также заметили, что теломеры кардиомиоцитов были значительно короче, чем теломеры в других мышечных клетках сердца, таких как гладкомышечные клетки сосудистой сети, которые не нуждаются в дистрофине для функционирования. Это было верно не только для мышей с мутировавшим дистрофином, но и для четырех человек с мышечной дистрофией Дюшенна, которые недавно умерли от кардиомиопатии. Это было неожиданно, потому что, хотя теломеры естественным образом немного укорачиваются с каждым раундом клеточного деления, известно, что их длина остается стабильной в неделящихся клетках, таких как кардиомиоциты.
"Из нашего предыдущего исследования мы знали, что теломеры играют роль в развитии кардиомиопатии при мышечной дистрофии Дюшенна, но мы не знали кинетики," сказал Чанг. "Это сокращение происходит внезапно или постепенно?? Можно ли вмешаться? Как именно это влияет на работу сердца?"
Укорочение теломер при отсутствии деления клеток
Чанг исследовал длину теломер в кардиомиоцитах мышей, лишенных белка дистрофина, через одну, четыре, восемь и 32 недели после рождения. Он обнаружил, что, хотя клетки перестали делиться в течение одной недели, теломеры продолжали укорачиваться, теряя почти 40 процентов своей длины к 32 неделе.
Более тщательное исследование пораженных кардиомиоцитов мыши показало, что укорочение теломер коррелирует с увеличением уровня белка p53, который, как известно, повышается при повреждении ДНК. P53, в свою очередь, подавляет экспрессию двух белков, необходимых для репликации и функционирования митохондрий.
"Снижение уровней этих митохондриальных мастер-регуляторов привело к уменьшению количества митохондрий в клетке и митохондриальной дисфункции," сказал Блау. "Они производят меньше энергии молекулы АТФ и имеют более высокий уровень повреждающих активных форм кислорода. Это то, что приводит к кардиомиопатии, которая в конечном итоге убивает мышей."
Исследователи обнаружили, что лечение 4-недельных мышей митохондриально-специфическим антиоксидантом ограничивает последующее повреждение митохондрий.
Чанг и Блау заинтересованы в том, чтобы узнать, как именно отсутствие функционального дистрофина способствует укорочению теломер в кардиомиоцитах. Они также планируют изучить, может ли искусственное удлинение теломер предотвратить повреждение сердца у мышей.
"Совершенно очевидно, что необходимы дополнительные исследования, прежде чем мы попытаемся разработать какие-либо новые методы лечения людей," сказал Блау. "Но эти результаты подчеркивают важную роль, которую теломеры играют в этом и, возможно, многих других заболеваниях человека, в неделящихся тканях, таких как нейроны и сердечная мышца."