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单元格代表。作者手稿;2017年2月23日PMC提供。
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RNA结合蛋白AUF1靶向mRNA降解调节成人肌肉干细胞命运,促进骨骼肌完整性

关联数据

补充资料

总结

骨骼肌损伤后,肌肉干细胞(卫星细胞)被激活、增殖并分化为肌纤维。我们表明,mRNA衰变蛋白AUF1通过靶向降解含有3′AU-丰富元素(AREs)的特定mRNA来调节卫星细胞功能。Auf1系列−/−随着年龄的增长,小鼠骨骼肌加速消瘦,损伤后骨骼肌修复受损。卫星细胞mRNA分析和再生研究表明auf1−/−卫星细胞的自我更新由于ARE mRNA的稳定性增加和过表达而受损,包括基质金属蛋白酶MMP9的细胞自主过表达。分泌的MMP9降解骨骼肌基质,阻止卫星细胞介导的再生并恢复静止。阻断MMP9活性auf1−/−小鼠恢复骨骼肌修复和卫星细胞群的维持。AUF1对ARE-mRNA衰变的控制是成人干细胞调节的一种机制,与人类骨骼肌消耗性疾病有关。

关键词:AUF1、富含AU的元素、mRNA衰变、卫星细胞、肌肉干细胞、肌肉再生

图形摘要

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简介

许多关键的调节性信使核糖核酸是通过转录后机制控制的,通常是信使核糖核酸的靶向失稳、选择性翻译或两者兼有(Moore等人,2014年)。mRNA的调节稳定性通常包括那些必须对变化的刺激作出快速反应的mRNA。事实上,生理上快速诱导基因表达的几乎一半变化发生在mRNA稳定性水平上(Cheadle等人,2005年)。许多生理活性强的蛋白质由半衰期为分钟的短寿命mRNA编码,其中3′非翻译区(3′UTR)的AREs使mRNA失稳。常见的ARE基序由序列AUUUA组成,通常在3′UTR中重复多次,通常是连续的(Moore等人,2014年)。ARE是一种纯顺式作用元件,作为调节蛋白的结合位点,称为富AU结合蛋白(AUBPs),其以高亲和力结合ARE并控制mRNA稳定性或翻译。迄今为止,已经对几种AUBP进行了深入研究,所有AUBP都通过招募mRNA衰变、mRNA稳定或翻译抑制蛋白发挥作用(格拉塔科斯和布鲁尔,2010年)。AUBP也有不同且重叠的靶ARE-mRNA(Garneau等人,2007年;Kim等人,2009年)。ARE-mRNA被认为编码超过5%的蛋白质表达基因组(Gruber等人,2010年).

AU-rich binding factor 1(AUF1,HNRNPD)结合某些ARE-mRNA,通过与反作用RNA结合蛋白的结合促进其快速降解(Moore等人,2014年)。AUF1主要作为ARE-mRNA衰变因子发挥作用(Moore等人,2014年);von Roretz等人,2011年)。AUF1由四种以分子量命名的相关蛋白亚型组成(p37、p40、p42、p45),通过一个常见前体mRNA的差异外显子剪接获得(Wagner等人,1998年)。虽然尚未完全理解,但不同亚型以ARE-mRNA为靶点进行衰变,并在多种同型和异型复合物中相互作用(Moore等人,2014年)。AUF1亚型也与基于多聚体形成和细胞分布的几个基因的转录激活有关(Pont等人,2012年;Zucconi等人,2010年)AUF1亚型可以以不同的效率在细胞核和细胞质之间穿梭(他和施耐德,2006年;Sarkar等人,2003a;Sarkar等人,2003b).

我们以前开发了auf1−/−小鼠更好地了解其生理作用(Lu等人,2006年)。我们现在报告auf1−/−成年后,小鼠骨骼肌加速消瘦。成人骨骼肌的维持和再生需要激活和分化正常静止的卫星细胞,这是一种骨骼肌特异性干细胞群体(利普顿和舒尔茨,1979年)。卫星细胞位于基底层下,毗邻肌纤维,肌纤维束提供肌肉质量和力量。肌肉损伤后,卫星细胞通过快速增殖和分化作出反应,再现肌肉发生过程(肌肉组织的形成),包括融合形成肌纤维(布拉克,2014年;Gunther等人,2013年;Kudryashova等人,2012年;Lepper等人,2009年)。卫星细胞还必须自我更新和静止,以防止其耗尽。因此,卫星细胞不对称分裂,使少数干细胞恢复静止,部分是通过与卫星细胞生态位的相互作用介导的(Kuang等人,2007年)。卫星细胞生态位被松散地定义为完整的层粘连蛋白基底膜结构,它提供了对其维持至关重要的特征不佳的外部因子(Bernet等人,2014年;Carlson和Conboy,2007年;Collins等人,2005年;Kuang等人,2007年;Montaras等人,2005年;Zammit等人,2004年).

骨骼肌再生在与年龄相关的疾病中受损,例如肌肉减少症,其特征是随着年龄增长肌肉再生能力降低,部分原因是卫星细胞减少(Bernet等人,2014年;Carlson和Conboy,2007年;Shefer等人,2006年)。卫星细胞数量的减少可能是由于细胞周期抑制释放所致(Sousa-Victor等人,2014年)和/或失去利基(Gopinath和Rando,2008年)。这些事件也常见于某些成人迟发性肌病,包括肢体束带肌营养不良(LGMD)。LGMD是一个异质性疾病家族,其临床特征是成年患者骨盆、肩胛骨、肩部和肢体区域的骨骼肌迅速丧失(Brack,2014年;Gunther等人,2013年;Kudryashova等人,2012年;Lepper等人,2009年).

因此,我们试图阐明AUF1在随年龄增长的骨骼肌维持中的作用。在这里,我们表明AUF1介导的卫星细胞ARE-mRNA稳定性控制是小鼠肌肉干细胞命运和再生能力的关键调节器。Auf1系列−/−卫星细胞显示关键再生ARE-mRNA的表达增加,包括mmp9,调节肌肉干细胞生态位的完整性。通过改变利基,受损auf1型−/−卫星细胞自我更新导致肌肉再生受损,卫星细胞耗竭,最终导致迟发性肌病。

结果

Auf1系列−/−随着年龄的增长,小鼠的肌肉质量和力量逐渐减少

骨骼肌质量明显下降auf1型−/−(auf1解剖图像显示,6个月大时,与野生型(WT)窝友相比,敲除(KO)骨骼肌(图1A)。骨骼肌质量的逐渐丧失auf1−/−通过双能x射线吸收测定法(DEXA)对小鼠进行量化,该方法测量身体成分,包括骨骼肌质量(原田,2013;Marinangeli和Kassis,2013年)。DEXA分析显示auf1−/−小鼠骨骼肌质量在6个月龄时为50%,在9个月龄前为85%(图1B)。因此,在auf1−/−老鼠。因此,我们使用两种传统方法确定肌肉质量的损失是否也对应于肌肉力量的损失。翻转的笼子可以量化鼠标可以停留在笼子底部的时间。这是对肢体和胸肌力量的测量。握力测试量化了对抗相反拉力时前肢的力量。根据倒置笼翻转试验测量,与年龄相关的骨骼肌质量减少对应的全身骨骼肌强度减少92%(图1C;视频S1、S2)。握力测试独立验证了肢体肌肉力量的显著损失(图S1).

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Auf1系列−/−小鼠肌肉加速消瘦

(A) 4月龄WT和KO小鼠骨骼肌质量的视觉比较。

(B) 在年轻(3-5个月大)、中等(6-8个月)和老年(9-12个月大的)WT(黑色)和KO(灰色)小鼠中,DEXA测量的瘦肉质量标准化为总质量。每个基因型每个年龄组五只小鼠进行了三次试验*P(P)<0.05, **P(P)<0.005,非配对t检验。

(C) 在年轻(3-5个月大)、中等(6-8个月)和老年(9-12个月大的)WT(黑色)和KO(灰色)小鼠中,通过持续60秒的倒置笼式翻转进行肢体和胸肌力量测试的结果。每个基因型每个年龄组五只小鼠进行了三次试验*P(P)<0.05未配对t检验。

(D) 4月龄和8月龄小鼠骨骼肌层粘连蛋白(AF488,绿色)和细胞核(DAPI,蓝色)的免疫荧光分析。代表性的集中核用箭头(<)表示。TA肌肉在OCT中冷冻,每个小鼠分析3个切片的5个图像,每个基因型研究3只小鼠(比例尺50μm)。

(E) 4个月龄和8个月龄WT(黑色)和KO(模式化)小鼠中央细胞核的定量**P(P)<0.005,通过双向方差分析。

组织学上,年轻auf1敲除(KO)小鼠最初发育为正常骨骼肌,4个月大时肌肉纤维层粘连蛋白染色显示,与WT动物无明显区别(图1D)。此时,层粘连蛋白完全勾勒出圆形骨骼肌纤维与几乎所有外周肌核的轮廓(图1E),是衡量正常肌肉发育的关键指标(Wicklund和Kissel,2014年)。然而,auf1KO小鼠在8个月大时出现剧烈肌病表型,尤其表现出肌肉萎缩的迹象(图1D)。从视觉上看,层粘连蛋白染色缺陷和破坏表明肌肉完整性丧失,包括骨骼肌纤维不完整且明显退化。值得注意的是,8个月大的孩子auf1KO表型包括肌纤维中央核团增加>5倍(图1E),表明正在进行的卫星细胞再生努力和肌病的表型特征(Wicklund和Kissel,2014年).

AUF1在肌肉内活化的卫星细胞中表达

研究表明,AUF1在骨骼肌纤维中的表达水平极低或可以忽略不计(Lu和Schneider,2004年) (图2A、B)。因此,我们在静止和活化的卫星细胞群中使用特异性免疫荧光筛选AUF1表达体内受伤后,以及在体外在分离的骨骼肌纤维上。静止的卫星细胞通过PAX7和Syndecan-4(Sdc4)的表达进行鉴定,而活化的卫星细胞还获得肌源性调节因子(MRF)的表达,如MyoD(科内利森和沃尔德,1997年;西尔和鲁德尼基,2000年)。肌肉损伤前静止卫星细胞中几乎没有检测到AUF1的表达。然而,AUF1在约25%的活化PAX7中共同表达+损伤后7天卫星细胞(图2A图S2)。在未受伤和受伤后7天的骨骼肌中,未观察到AUF1在骨骼肌纤维中的表达(图2A)。因此,AUF1在激活的卫星细胞子集中特异表达。

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AUF1在活化的卫星细胞中表达

(A) 免疫荧光分析4月龄WT小鼠未损伤(UI)或损伤后7天TA肌肉中层粘连蛋白(AF488,绿色)、PAX7(AF555,红色)、AUF1(AF647,白色)和细胞核(DAPI,蓝色)的表达。TA肌肉被氯化钡损伤2注入。TA在OCT中冷冻,每只小鼠分析3个切片的5个图像(标尺50μm)。DAPI+2为背景对照,切片仅用DAPI和二级抗体染色。

(B) 免疫荧光分析4月龄小鼠WT骨骼肌分离的肌纤维中AUF1(AF488,绿色)、MyoD(AF555,红色)和细胞核(DAPI,蓝色)的表达。每只小鼠分析十种纤维,研究三只小鼠(标尺50μm)。

为了进一步验证AUF1表达对活化卫星细胞的限制,分离、培养骨骼肌纤维,并筛选AUF1与MyoD(一种早期时间点MRF)的共表达。肌肉纤维的分离激活了相关的卫星细胞,这些卫星细胞试图通过分化修复感知到的“伤口”。培养72小时后,AUF1在>50%的MyoD中强烈共表达+卫星电池(图2B图S2)。值得注意的是,发现AUF1分布在细胞核和细胞质中,表明细胞质ARE mRNA衰变功能增加。AUF1在细胞核和细胞质之间穿梭;细胞质是促进ARE-mRNA衰变的地方。在稳态状态下,AUF1主要是核,由于特定的mRNA与衰变相关,AUF1向细胞质输出(Moore等人,2014年;Sarkar等人,2003年a;铃木等人,2005年;Yoon等人,2015年;他和施耐德,2006年)。总的来说,这些数据表明AUF1仅在骨骼肌中激活的卫星细胞中表达,而不在肌纤维中表达。

使用小鼠成肌细胞C2C12细胞系获得AUF1时间表达谱的独立确认。C2C12细胞可以模拟在前体成肌细胞水平启动的后激活卫星细胞状态(Ho等人,2015年;Silva等人,2015年)。三种最大的AUF1亚型(p40、p42、p45)在增殖的成肌细胞中表达(图S3)并且在成肌细胞分化的早期阶段显著增加,类似于动物骨骼肌卫星细胞的分化。最小的亚型(p37)在完全分化的肌管中表达最少(图S3).

肌肉损伤后ARE-mRNA稳定性的AUF1调节控制卫星细胞的命运

接下来,我们确定在缺乏AUF1介导的are-mRNA稳定性调节的情况下,卫星细胞及其再生能力是否发生功能性改变。为了激活静止的卫星细胞并启动肌肉干细胞分化程序,注射氯化钡损伤胫骨前肌(TA)2WT和auf14个月大的KO小鼠。氯化钡2导致注射的肌肉迅速坏死。如前所述,在这个时间点auf1KO小鼠形态正常(图1E)AUF1在静止的卫星细胞群中的表达几乎无法检测到(图1D图S4)。此外,WT和auf14个月大的KO小鼠(图3C).

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Auf1系列−/−卫星细胞一旦激活就无法自我更新

(A) 免疫荧光分析4个月大WT和KO小鼠损伤后7或15天骨骼肌中层粘连蛋白(AF-488,绿色)、PAX7表达(AF555,红色)和细胞核(DAPI,蓝色)的表达。TA肌肉被氯化钡损伤2注入。TA肌肉在OCT中冷冻,每只小鼠分析3个切片的5个图像(标尺50μm)。DAPI+2是对照,切片仅用DAPI和第二抗体染色。

(B) 在WT(黑色)和KO(灰色)小鼠受伤后15天,通过ImageJ64测定的最小费雷特直径对纤维大小进行量化。表示显著性的条表示WT和auf1KO TA肌肉*P(P)<0.05, **P(P)<0.005,未配对t检验。

(C) 量化未损伤(黑色)、损伤后7天(有图案)和损伤后15天(灰色)骨骼肌中WT和KO小鼠的PAX7表达*P(P)<0.05, **P(P)<0.005,双向方差分析。

受伤后7天,TA肌肉auf1与野生动物相比,KO小鼠无法进行修复。层粘连蛋白表达稀疏,几乎没有可识别的肌纤维,表明肌纤维完整性丧失和卫星细胞生态位破坏(图3A)。卫星细胞生态位丧失的证据包括活化PAX7减少了5倍以上+卫星电池auf1相对于WT的KO TA肌肉(图3A、C)。受伤后15天,auf1与WT小鼠接近完全修复相比,KO-TA肌肉继续显示出很少的再生。层粘连蛋白染色auf1KO TA肌肉表明形成了明显较小且不完整的肌肉纤维(图3A)通过测定肌肉纤维的大小(最小费雷特直径)进行量化(图3B)。PAX7也大量消耗+卫星细胞群auf1此时KO TA肌肉(图3A),通过对PAX7的数量进行评分来量化+每毫米电池数2(图3C)。因此,AUF1的表达对于卫星细胞生态位和PAX7的维持和重建至关重要+干细胞群体。

由于AUF1的主要功能是靶向ARE-mRNAs进行快速衰变,因此我们试图从auf1KO小鼠与WT的比较。我们进行了全基因组卫星细胞特异性RNA测序(RNA-seq)mRNA表达分析。卫星细胞从auf1WT和auf1−/−通过荧光激活细胞分选(FACS),对卫星细胞标记物Sdc4阳性和内皮细胞标记物阴性的细胞进行门控,从4-6个月大的动物中KO小鼠整个后肢骨骼肌。91个mRNA在auf1KO与WT卫星细胞相比,约75%(约70 mRNA)的丰度增加或减少了2倍以上。其中,34/70或几乎一半的mRNAs含有3′UTR,根据ARE-motif AUUUA推测AUF1/AUBP-binding AREs,通常至少有两个连续的AUUUUA序列用于AUF1结合(Moore等人,2014年)。此外,大多数ARE-mRNA大量增加,支持AUF1在促进干细胞群体ARE-mRNA衰变中的作用(图4A表S1)。有趣的是,只有在auf1KO卫星细胞,在WT中未检测到,其中8个包含3′UTR多个ARE,包括AUF1的既定靶点,如IL17号(Han等人,2014)。AUF1的其他已确定ARE-mRNA靶点在auf1KO卫星电池与WT相比,包括IL10号机组(Sarkar等人,2008年),基质金属蛋白酶9(刘等人,2006),1英镑SAMSN1公司(Sarkar等人,2011年)和IL1β(Pont等人,2012年).

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基质金属蛋白酶9转录水平在auf1−/−卫星电池

(A) 来自分选的WT和KO卫星细胞的RNA-Seq分析的热图。对每个基因型的三只小鼠进行了研究。KO卫星细胞中有91个基因差异表达,大多数基因表达增加(红色)。

(B) 卫星细胞ARE-mRNAs在缺乏AUF1表达的情况下失调的顶级细胞功能和疾病途径的IPA特征。数字代表P(P)-值x 10−5.

(C) mRNA水平2011年8月基质金属蛋白酶9用载体(黑色)或siAUF1(灰色)处理的培养C2C12细胞。使用了两个siAUF1靶向序列。mRNA水平标准化为间隙DH每项实验均一式三份*P(P)<0.05, **P(P)<0.005,非配对t检验。

(D) 相对基质金属蛋白酶9用对照(黑色)或siAUF1-1(灰色)处理的培养C2C12细胞的mRNA衰减率。在放线菌素D处理后收集细胞,并按照制造商说明分离RNA(TRIzol)。显示了部分衰减曲线。插图:沉默后AUF1水平的免疫印迹。*,P(P)<0.001,未配对t检验。

(E) C2C12细胞中IgG(黑色)或内源性AUF1(灰色)的RNA-免疫沉淀分析基质金属蛋白酶9ITG公司B类1mRNA水平。实验一式三份***P(P)<0.0005,配对t检验。ITGB1 mRNA水平无统计学差异。

在西尔科接下来进行分析以确定有利的AUF1调节的ARE-mRNAs,重点是在auf1KO卫星细胞与AUF1在介导ARE-mRNA衰变中的主要功能一致。使用ARESite鉴定3′-UTR中至少含有一个典型ARE基序(AUUUA)的mRNA(表S1由*标识)。根据AUF1对至少两个ARE五聚体的既定偏好,这些mRNAs被进一步优先考虑为AUF1提供的靶点,通常相邻(格拉塔科斯和布鲁尔,2010年)(表S1由**标识)。对优先化基因列表进行Ingenuity Pathway Analysis(IPA)以确定功能簇。IPA将基因列表分配给实验验证的生化和分子网络。

IPA分析表明,上调的mRNA在细胞运动、细胞间信号传递、细胞维持和细胞生长等功能上得到了丰富(图4B)。这些途径为成年组织中干细胞的适当激活、分化和自我更新提供了关键的信号传导。值得注意的是,监管上调基质金属蛋白酶9在大多数细胞功能途径中都发现了转录物。我们通过IPA分析确定的基因在骨骼肌再生中的既定功能来表征其重要性。鉴定出四种ARE-mRNA(表S2)有两个(IL17、MMP9)之前已经证明可以在其他细胞类型中绑定AUF1(Han等人,2014).

MMP9在肌肉再生和伤口修复中具有重要作用(韦伯斯特等人,2015年;Gu等人,2005年;印地语等,2013年;Murase和McKay,2012年)并在我们进行的大多数相关通路分析中发现。MMP9是一种基质金属肽酶,可降解细胞外基质(ECM)蛋白质,包括骨骼肌层粘连蛋白,卫星细胞生态位的组成部分(Gu等人,2005年;印地语等,2013年;Murase和McKay,2012年)。虽然骨骼肌再生需要对ECM进行控制性重塑,但过度和/或持续的创伤后MMP9活性预计会解除卫星细胞功能的调节,并通过周围基质的慢性降解损害干细胞再生能力(Webster等人,2015年;Shiba等人,2015年)。因此,在某些肌营养不良模型中,抑制MMP9可以改善骨骼肌修复(印地语等,2013年;Li等人,2009年;Shiba等人,2015年)。此外,肌肉损伤的广泛病理效应auf1KO小鼠与MMP活性增加的预测表型一致。

重要的是,尚未研究肌肉创伤修复过程中MMP9表达的来源及其过度表达时的病理相关性。因此,我们首先确认基质金属蛋白酶9以及通过全基因组卫星细胞RNA-seq分析确定的其他mRNA实际上是卫星细胞自主的。为此,我们对WT和auf1取自4-6月龄动物的KO小鼠骨骼肌纤维(图S5).基质金属蛋白酶9在WT和KO骨骼肌纤维中均未检测到mRNA,这表明MMP9的表达仅是卫星细胞的自主表达,并且是基质金属蛋白酶9过度表达auf1KO小鼠。

AUF1促进的验证基质金属蛋白酶9mRNA降解是在C2C12成肌细胞中获得的,因为研究动物卫星细胞群中mRNA的衰减率是不可行的。两种不同的siRNA对AUF1的沉默(~80%)增加基质金属蛋白酶9mRNA水平增加约4倍(图4C)与卫星细胞RNA-Seq数据中确定的一致。基质金属蛋白酶9mRNA相对半衰期,通过添加放线菌素D来阻断转录,qRT-PCR定量从载体处理对照组的1小时增加到siAUF1处理C2C12细胞的4.5小时(约80%沉默)(图4D)。为了确认这一点基质金属蛋白酶9mRNA失稳是AUF1对3′UTR中ARE重复序列的作用的结果,最长的相邻ARE富集区(约200 bps)被克隆到荧光素酶报告子(pzeo-luc)的3′UTRs中。MMP9-3′-Luc报告子或其对照(Empty-3′-Lac)通过非沉默或siAUF1处理转染到C2C12细胞。对照mRNA的相对稳定半衰期为112分钟,插入MMP9 3′-UTR ARE片段(MMP9-3′-Luc)后,半衰期显著降低至28分钟(图S6A)。siAUF1治疗使AUF1部分沉默50-70%,部分挽救了MMP9-3′-Luc mRNA的稳定性(81分钟)。这些数据证实AUF1促进了基质金属蛋白酶9mRNA通过AU-rich 3′-UTR(图S6A)。进一步验证了这些结果,用siAUF1处理的细胞显示出荧光素酶活性显著增加,验证了AUF1在促进基质金属蛋白酶9不稳定性(图S6B).

此外,基质金属蛋白酶9发现mRNA与来自WT C2C12细胞的免疫沉淀的AUF1强结合(图4E图S7A)。某些细胞类型中疑似AUF1靶mRNA,整合素β-1(ITGB1型)卫星细胞RNA-序列数据用作对照。ITGB1型与C2C12细胞中的AUF1无关,验证了与MMP9的相互作用(图4E)。此外,C2C12细胞中AUF1的沉默强烈增加了分泌的MMP9蛋白水平(图S7B、C).

MMP9抑制可挽救auf1−/−损伤后的卫星细胞

我们决定体内在活的动物中,AUF1的丢失是否以腐烂为目标基质金属蛋白酶9ARE-mRNA在很大程度上负责损伤后肌肉再生缺陷,验证了这种表型是由auf1KO卫星单元。我们使用活体动物成像来可视化MMP9在auf1WT和auf1−/−4个月大的小鼠损伤后24小时的KO-TA骨骼肌。这对应于在没有免疫浸润的情况下卫星细胞被激活的时间点(Dumont等人,2015年)。小鼠在受伤前24小时开始腹腔注射一种光学沉默的胶原基质类似物,用于选择性切割MMP9。一旦被裂解,基质就会释放出一个定位于MMP9活性位点的荧光团。重复针头IP注射部位的MMP9活性是可以预期的。遵循BaCl2TA肌肉损伤时,MMP9在auf1KO小鼠与WT小鼠的比较(图5A)。在WT和auf1KO小鼠(图5A)。手术切除WT和auf1KO小鼠随后进行生物发光成像(图5B、C)证实MMP9活性在auf1型KO小鼠与WT小鼠的比较。这些数据表明auf1肌肉损伤后,KO卫星细胞分泌持续增加水平的MMP9,随着卫星细胞群的扩大,这种情况可能会加剧。

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MMP9在auf1型−/−骨骼肌损伤

(A) 用MMPSense治疗48小时以评估TA BaCl治疗24小时后MMP9活性的代表性4月龄小鼠的生物发光(IVIS)图像2与未受伤的对照组(右后肢)相比,左后肢受伤。对每个基因型的三只小鼠进行了研究。

(B) 代表性WT(左)和KO(右)切除TA肌肉的IVIS图像,用MMP-Sense治疗48小时,以评估损伤后24小时的MMP9活性。

(C) 24小时后WT和KO损伤TA肌肉中MMP-Sense IVIS图像的量化*P(P)<0.05,未配对t检验。

因此,我们试图确定MMP9的表达和活性增加是否与auf1观察到KO损伤表型,尤其是层粘连蛋白的严重丢失和卫星细胞群的耗竭。MMP9活性的长期增加可能会促进ECM过度损伤,继而破坏卫星细胞生态位,最终抑制卫星细胞返回PAX7+通过中断关键的细胞-芯片串扰来停止。为了测试这一点,MMP9小分子抑制剂SB-3CT(贾等人,2014;Sassoli等人,2014年),通过IP注射给药auf1KO小鼠与BaCl联合使用2-介导TA损伤。SB-3CT通过不可逆共价相互作用阻断MMP9活性(贾等人,2014;Sassoli等人,2014年)。在损伤前24小时开始每天给小鼠注射10 mg/kg SB-3CT,并结合MMP9特异性胶原基质注射(Cai等人,2015年).Auf1系列经SB-3CT治疗的KO小鼠在IP注射部位的MMP9活性几乎完全消失,并显著降低受损TA肌肉中的MMP8活性(图6A)。生物发光分析显示SB-3CT治疗小鼠损伤后MMP9活性降低了5倍以上(图6B)。用于量化荧光的刻度如所示图5.

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抑制MMP9活性auf1−/−小鼠恢复PAX7的维护+卫星细胞群

(A) 用MMP Sense(右,KO+SB-3CT)或不使用(左,KO)SB-3CT治疗4个月大小鼠48小时的IVIS图像,以评估TA肌肉BaCl后24小时MMP9活性2受伤(左后肢)与未受伤的TA肌肉(右后肢)相比。每个治疗组研究三只小鼠。

(B) KO和KO+SB-3CT损伤后24小时TA肌肉的MMP-Sense IVIS成像定量**P(P)<0.005,非配对t检验。

(C) 免疫荧光法检测4月龄KO和KO+SB-3CT小鼠损伤后7天骨骼肌中层粘连蛋白(AF488,绿色)、PAX7(AF555,红色)和细胞核(DAPI,蓝色)的表达。TA肌肉因氯化钡而受伤2注入。TA肌肉在OCT中冷冻,每只小鼠分析3个切片的5个图像(标尺50μm)。

(D) 骨骼肌损伤后7天KO和KO+SB-3CT小鼠PAX7表达的定量*P(P)<0.05,未配对t检验。

SB-3CT治疗对损伤患者MMP9活性的影响auf1KO小鼠恢复了肌肉创伤修复。经SB-3CT治疗的损伤患者层粘连蛋白表达强烈增加,近正常肌纤维明显auf1KO动物,与卫星细胞生态位修复一致(图6C)。此外,PAX7+仅在MMP9被抑制(SB-3CT治疗)的情况下,损伤后7天卫星细胞数量显著增加auf1KO小鼠(图6C)。具体而言,PAX7中的含量增加了约4倍+损伤后接受SB-3CT治疗的卫星细胞群(图6D)。这些数据表明auf1骨骼肌损伤后KO小鼠的骨骼肌损伤是由于AUF1靶向ARE-mRNA衰变的丧失,通过MMP9活性升高和随后干细胞维持能力的丧失,导致肌肉组织重塑增加和结构性改变。这些发现进一步确定了在衰老过程中观察到的迟发性肌病的来源auf1KO小鼠-由于AUF1介导的ARE-mRNA衰变调控的缺失,卫星细胞群加速耗竭,层粘连蛋白降解增加。在这两种表型中,MMP9增加的来源是激活的auf1KO卫星细胞,本身导致自我更新的丧失auf1−/−卫星电池以自我破坏的方式工作。

讨论

AUBP对ARE-mRNAs的靶向衰变已成为许多复杂生理通路的主要调节器,并在其出错时成为疾病的来源(Moore等人,2014年)。无论是在发育过程中还是在创伤修复后的再生过程中,AUBP在协调肌生成过程中都有多种作用,但人们对此知之甚少。研究表明,肌肉再生的复杂且时间有序的过程,包括在此过程中卫星细胞的调节、分化和恢复,涉及一个严格调控的AUBP网络(Dormoy-Raclet等人,2013年;Figueroa等人,2003年;Hausburg等人,2015年;Legnini等人,2014年;熊猫等,2014;Singh等人,2014年)。个体AUBP分子活性及其各自功能的协调作用知之甚少,特别是在干细胞介导的再生的背景下。在这里,我们重点研究了AUF1在卫星细胞介导的骨骼肌修复中的作用,证明在缺乏功能性AUF1的情况下,卫星细胞中的某些ARE-mRNA大量增加,扰乱了卫星细胞分化和损伤后的自我更新。研究发现,由AUF1靶向ARE-mRNA编码的活性MMP9的高表达可不可控地降解周围骨骼肌ECM,包括层粘连蛋白和卫星细胞生态位,从而产生类似于各种迟发性人类肌病的肌病表型。

这个发现auf1−/−小鼠显示,随着年龄增长,骨骼肌加速消瘦可能是由于长期累积的轻微创伤后卫星细胞分泌的MMP9活性增加所致。我们的研究结果表明,持续的MMP9活性会破坏层粘连蛋白和ECM结构,破坏静止的卫星细胞生态位。这导致了MMP9驱动的肌肉损伤反应所建立的破坏性降解和修复的无情循环,这种反应会提前激活和耗尽更多的卫星细胞。活化的卫星细胞随后融合到现有的肌纤维上,如8个月大的中央定位细胞核的增加所示auf1−/−老鼠。因此,卫星细胞中特异性AUF1功能的丧失导致迟发性肌病,在年轻时没有表现型。因此,在缺乏AUF1介导的ARE-mRNA衰变的情况下,MMP9的慢性和增加表达显然是年龄相关性和损伤后肌病的主要驱动因素。重要的是,通过增加和不受调节的MMP活性破坏卫星细胞生态位auf1−/−小鼠导致静止PAX7的部分耗竭+卫星细胞群,在衰老和肌肉损伤后出现迟发性肌病。

尽管除了基质金属蛋白酶9在卫星细胞RNA-seq分析中发现,可能有助于确定卫星细胞的命运以及骨骼肌完整性和再生的调节,很明显AUF1的调节基质金属蛋白酶9ARE-mRNA衰变定义了一个主要的控制步骤。在这方面,不仅能够恢复层粘连蛋白的表达,从而恢复肌肉再生,而且能够增加auf1−/−PAX7+通过MMP9抑制剂SB-3CT处理卫星细胞强调了AUF1介导的单一ARE-mRNA衰变的重要功能(基质金属蛋白酶9)。这进一步验证了AUF1调节的ARE-mRNA衰变在卫星细胞激活和自我更新中的重要性,卫星细胞通过与生态位的相互作用介导。未来的研究将着眼于了解AUF1在肌肉再生后期的作用,包括卫星细胞的扩张、分化和融合。因此,MEF2C公司晚期MRF和AUF1 mRNA靶点(熊猫等,2014)在我们的RNA-seq分析中没有发现,可能是因为再生的时间点auf1−/−为本研究选择并分类卫星细胞。

因此,在缺乏AUF1介导的ARE-mRNA衰变的情况下,MMP9的慢性和增加表达显然是年龄相关性和损伤后肌病的主要驱动因素。重要的是,MMP9活性增加导致卫星细胞生态位的破坏auf1−/−小鼠导致静止的PAX7的部分耗竭+卫星细胞群,在衰老和肌肉损伤后出现迟发性肌病。

这项工作解决了转录后控制在组织再生协调过程中的重要性。研究证明,这对进一步了解不同AUBP在协调肌肉发生和肌肉再生中的多重作用极为有益。很明显,在肌发生过程中,AUF1在不同的时间点发挥作用,如在C2C12细胞中的研究所示(熊猫等,2014)还有这里。HuR,另一种AUBP,经常反对AUF1作用并稳定ARE-mRNA(Figueroa等人,2003年),在卫星细胞激活的早期阶段急剧增加(Legnini等人,2014年)在AUF1表达上升之前的某个时间。HuR促进某些MRF的稳定性,如肌生成素和MyoD(Figueroa等人,2003年)。HuR最近也被证明可以稳定非编码RNA linc-MD1,在肌肉发生的早期阶段具有高表达(Legnini等人,2014年)和mRNA高迁移率族蛋白1受伤后。HMGB1促进作为骨骼肌修复反应早期激活物的运动计划(Dormoy-Raclet等人,2013年)。另一种AUBP,TTP,也是ARE-mRNA衰变介质,仅在静止的卫星细胞中高表达,而AUF1不表达。此外,当AUF1表达显著增加时,TTP在损伤后立即失活(Hausburg等人,2015年)。在静止的卫星细胞中,TTP介导MyoD公司mRNA,阻止卫星细胞数量的增加。先前的研究表明,AUF1和TTP往往表现出相互排斥的表达或活性(Moore等人,2014年),与这些发现和我们的数据一致,即AUF1仅在卫星细胞激活后表达。

报道的数据表明,AUF1的缺失或突变可能与晚发性人类肌病LGMD的发生有关。LGMD 1G型的多个家族队列在4q21位点发生突变,该位点包含auf1该基因和一个家族被证明在HNRNPDL中有突变,这是一种描述不太清楚的AUF1同源物(Starling等人,2004年;维埃拉等人,2014年)。LGMD 1G型的发病年龄为30-47岁,无儿童期肌病史(Starling等人,2004年;Vieira等人,2014年)。如临床所述,LGMD病的相对发病年龄和组织学表现与auf1−/−鼠标。

总之,我们的工作在动物模型中确定了真正起源于卫星细胞的肌病,并将AUBP mRNA衰变蛋白AUF1作为成人干细胞命运的关键调节器。这些发现具有重要的临床意义。虽然健康骨骼肌可以在缺乏功能性AUF1的情况下发育,但卫星细胞群明显改变,一旦激活,就会迅速耗尽。激活auf1−/−卫星细胞分泌高水平的MMP9,持续破坏ECM和生态位,导致卫星细胞过早激活,卫星细胞耗竭,随后随着年龄增长而发展为肌病。因此,MMP9抑制与潜在的AUF1介导的卫星细胞治疗相结合可能在成人慢性和急性肌病的再生医学中发挥作用。

实验程序

动物研究

所有动物研究均由纽约大学医学院动物护理和使用委员会(IACUC)批准,并按照IACUC指南进行。

双能x射线吸收法(DEXA)

根据制造商的建议,使用Lunar Pixi DEXA记录瘦组织质量。对3-12个月龄的雄性和雌性小鼠进行体重测量,并扫描其瘦体重。小鼠分为以下年龄组:3-5、6-8、9-12。采用瘦体重与总体重的比值进行分析。对每个基因型每个年龄组的五只小鼠进行三次分析,然后计算平均值和标准偏差。数据采用非配对t检验进行分析。(原田,2013;Marinangeli和Kassis,2013年).

笼式翻转

雄性和雌性小鼠被放置在网格上30秒以适应环境,然后在3英尺的高度倒置60秒。记录了老鼠离开网格的时间。将小鼠分为以下月龄组:3-5、6-8、9-12。对每个基因型每个年龄组的五只小鼠进行三次测试,然后计算平均值和标准偏差。数据采用非配对t检验进行分析。

力量抓地力

根据制造商建议(Bioseb)对6个月大的雄性和雌性小鼠进行测试。简言之,老鼠被尾巴牵着,用上肢抓住附在测力仪上的网格。用尾巴将老鼠从网格上拉下来,并记录上肢力量的测量值。对每个基因型5只小鼠进行一式三份的测试,然后计算平均值和标准偏差。数据采用非配对t检验进行分析(Ke等人,2015年;van Norren等人,2015年).

免疫荧光

4-8个月大的雄性和雌性小鼠(实验指定)将其TA肌肉切除并冷冻在OCT中(Tissue-Tek)。样品在4%多聚甲醛中后固定,并在TBS中的3%BSA中封闭。初级抗体在4°C下培养过夜。Alexa Fluor驴488、555和647二级抗体在1:500的温度下使用,并在室温下孵育1小时。玻片用Vectashield和DAPI密封。使用以下抗体稀释液:大鼠层粘连蛋白抗体(Sigma,L0663,1:250),小鼠PAX7抗体(体内:DSHB,1:1000,PAX7由Atsushi的Kawakami存放在DSHB中,山羊对hnRNPD的抗体(Santa Cruz Biotechnology,SC-22368,1:250),兔对MyoD的抗体(圣克鲁斯生物技术,SC-760,1:1000)。

显微镜、图像处理和分析

使用蔡司LSM 700共焦显微镜采集图像,主要使用20X透镜。使用ImageJ64对图像进行处理和评分。如果需要,对整个图像和实验集中的所有图像的颜色平衡进行线性调整。

氯化钡2后肢损伤

向4个月大的雄性和雌性小鼠注射50μl过滤过的1.2%BaCl2盐水直接注入左TA肌肉。作为对照,右TA肌肉未受损伤。在注射后7天和15天,按照方案对小鼠进行监测和处死。术后将受伤和未受伤的TA肌肉切除并冷冻在OCT(Tissue-Tek)中。每个基因型每个时间点研究三只小鼠(Bernet等人,2014年;Cornelison等人,2001年).

肌纤维制剂

在4个月龄时从WT和KO小鼠中获取肌纤维。简言之,从后肢解剖TA肌肉下方的肌肉,包括趾长伸肌(EDL)和比目鱼肌,并在37°C水浴中用1.5 U/ml I型胶原酶(沃辛顿)消化1.5小时。肌纤维在添加15%马血清(Gibco)、1%青霉素-链霉素(Life Technologies)和2.5μg/μl FGF(Sigma)的F12培养基(Corning)中培养72小时,37℃,5%CO2组织培养箱(田中等人,2009年).

C2C12细胞培养

C2C12细胞保存在DMEM(Corning)、20%FBS(Gibco)和1%青霉素-链霉素(Life Technologies)中。为了分化细胞,培养基被切换为DMEM(康宁)、2%马血清(吉百科)和1%青霉素-链霉素(生命科技)(熊猫等,2014).

荧光激活细胞分选(FACS)

将4-6个月大的雄性和雌性小鼠的整个后肢骨骼肌在胶原酶I型(沃辛顿)中消化并分类为Sdc4+cd45细胞负极cd31型负极Sca1类负极使用Beckman Coulter MoFlo XDP的人群。世系标记由相干蓝宝石488nm激光激发,并通过530/40带通滤波器收集。Sdc4(使用SiteClick抗体偶联试剂盒与Q-Dot800偶联)也被相干蓝宝石488nm激光激发,并通过740长通滤波器收集。DAPI用于选择活细胞/完整细胞,由JDSU Xcyte 355 nm激光激发,并通过450/65带通滤波器收集。事件通过70μm细胞喷枪以大约每秒10000个事件的速度进行。

RNA测序和分析

使用TRIzol(Thermo Fisher Scientific)从FACs分类的卫星细胞中提取RNA,并按照生产说明使用RNeasy Mini Kit(Quiagen)进行纯化。对4-6个月大的雄性和雌性小鼠的整个后肢骨骼肌进行处理。每个基因型分析三只小鼠。RNA-测序通过纽约大学医学院基因组技术核心使用Illumina Hi-Seq 2500单读完成,并通过纽约大学CTSI生物信息学核心进行分析。

Affymetrix全基因组mRNA分析

使用TRIzol(Thermo Fisher Scientific)从整个后肢骨骼肌中提取RNA,并按照生产说明使用RNeasy Mini Kit(Quiagen)进行纯化。对4-6个月大的雄性和雌性小鼠的整个后肢骨骼肌进行处理。每个基因型分析五只小鼠。使用Affymetrix小鼠基因组430 2.0阵列芯片。Affymetrix芯片由纽约大学医学院基因组技术核心处理,并通过纽约大学医学学院生物信息学核心进行分析。

体外AUF1静音

AUF1暂时沉默在体外使用50μM Ambion siRNA(s62815,s201078)和Life Technology Lipofectamine 2000 48小时。对于扩展研究,根据需要每隔72小时用siRNA处理细胞。

MMP9酶联免疫吸附试验

按照生产说明,使用分子探针酶切明胶酶/胶原酶检测试剂盒收集并测试组织培养基。实验分析一式三份,然后计算平均值和标准偏差。数据通过非配对t检验进行分析。

体内MMP9活性

4个月大的WT和KO雄性和雌性小鼠在受伤前24小时和BaCl作用时间内用PerkinElmer MMPSense 750溶液进行IP注射2注射,成像前24小时。使用IVIS L-III通过纽约大学医学院小动物成像中心对动物进行成像。分析每个基因型的三只小鼠,然后计算平均值和标准偏差。数据采用非配对t检验进行分析。

SB-3CT治疗

4个月大的KO雄性和雌性小鼠每24小时注射一次25 mg/kg SB-3CT(Sigma-Aldrich)IP注射液,从BaCl之前24小时开始2MMPSense注射造成的损伤。对每个治疗组的三只小鼠进行分析,然后计算平均值和标准偏差。数据采用非配对t检验进行分析。

统计分析

适用时,采用非配对t检验或双向方差分析来确定显著性。使用Prism 6.0f分析数据。考虑重要值P(P)<0.05,如一个星号(*)所示,P(P)<0.005,用两个星号(**)表示,或P(P)<0.0005,由三个星号(***)表示。

集锦

  • AUF1通过靶向降解特定mRNA调节肌肉干细胞功能
  • Auf1系列−/−小鼠损伤后骨骼肌萎缩和再生受损
  • AUF1对mRNA衰变的控制是调节组织再生的机制
  • AUF1突变与人类肌肉消耗性疾病有关

补充材料

1

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2

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致谢

我们感谢Bruce Cronstein博士(纽约大学)使用DEXA。纽约大学CTSI生物信息学核心、组织病理学核心、显微镜核心、啮齿动物行为核心、小动物成像核心提供了技术援助,部分由NCATS的UL1 TR00038拨款支持。这项工作得到了NIH向R.J.S.拨款GM085693和R24OD018339,向D.M.C拨款NIH T32 13-A0-S1-090476,向B.B.O拨款AR049446的支持,B.B.O是埃里森医学基金会支持的老龄研究高级学者。

脚注

加入人数

基因表达数据登录号天然气83555GEO包含本研究中提供的所有RNA-seq数据。

补充信息

补充信息包括7张图,2张表,补充图图例、实验程序和参考,可在以下网站上找到:

作者贡献

D.M.C.、R.J.S.、B.B.O.和A.B.C.设计了研究,D.M.C.进行了大多数研究;A.B.C.和T.L.A.参与了后肢损伤研究和卫星细胞FAC分类;L.C.L.通过SB-3CT救援实验协助所有小鼠的维护、表型分析和损伤;J.W.从RNA-Seq和Affymetrix平台进行生物信息学分析;R.J.S.负责该项目;D.C.M和R.J.S.撰写了手稿;B.B.O.和A.B.C.参与了手稿修订。

竞争性金融利益

作者声明没有竞争性的经济利益。

出版商免责声明:这是一份未经编辑的手稿的PDF文件,已被接受出版。作为对客户的服务,我们正在提供这份早期版本的手稿。手稿在以最终可引用的形式出版之前,将经过编辑、排版和校对结果证明。请注意,在制作过程中可能会发现可能影响内容的错误,适用于该期刊的所有法律免责声明均适用。

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