研究显示了肌肉细胞惊人的变异性

通常，每个细胞恰好是一个核。但是我们骨骼肌的细胞不同：这些长，纤维细胞具有含有数百个核的相对大的细胞质。但到目前为止，我们已经知道单一肌纤维的细胞核在其基因活性方面彼此不同的程度，以及这对肌肉的功能有何影响。

由Helmholtz协会(MDC) Max Delbrueck分子医学中心的发育生物学/信号转导研究小组负责人Carmen Birchmeier教授领导的研究小组现在已经解开了其中的一些秘密肌肉细胞核。正如研究人员在杂志上报道的那样自然通讯该研究小组使用一种仍然相当新颖的技术——单核RNA测序——来研究细胞核的基因表达。在这个过程中，他们意外地发现了多种多样的基因活动。

肌肉纤维类似整个组织

“由于其细胞核的异质性，一个单一的肌肉细胞几乎可以像一个组织一样，由各种非常不同的细胞类型组成，”Minchul Kim博士解释说，他是Birchmeier团队的博士后研究员，也是该研究的两位主要作者之一。“这使得细胞能够完成许多任务，比如与神经元通信或产生特定的肌肉蛋白质。”

金姆承担了这项研究的大部分实验工作，他的数据也在MDC进行了评估。该生物信息学分析是由MDC的柏林医学系统生物学研究所(BIMSB)的生物信息学和组学数据科学平台负责人Altuna Akalin博士和该研究的共同第一作者、Akalin团队的博士后研究员Vedran Franke博士进行的。“只有通过基于实验和基于理论的团队之间的不断对话，我们才能得出我们的结果，这为肌肉疾病的研究提供了重要的见解，”Birchmeier强调说。“单细胞测序等分子生物学新技术创造了大量数据。计算实验室在早期是过程的一部分是至关重要的，因为分析和数据生成一样重要，”Akalin补充道。

受伤的肌肉含有激活的生长促进基因

研究人员开始研究数千个普通细胞核的基因表达肌肉纤维老鼠的细胞核，以及损伤后再生的肌纤维。研究小组对这些细胞核进行了基因标记，并将它们从细胞中分离出来。Birchmeier说:“我们想知道在静止和生长的肌肉之间是否可以观察到基因活动的差异。”

他们确实发现了这些差异。例如，研究人员观察到，再生肌肉中含有更多的激活基因，这些基因负责刺激肌肉生长。“然而，真正让我们惊讶的是，在这两种肌纤维类型中，我们发现了大量不同类型的细胞核，每一种细胞核都有不同的基因活动模式，”Birchmeier解释说。

绊倒未知的核型

在这项研究之前，人们就已经知道，在神经元神经支配部位附近的细胞核中，不同的基因是活跃的。“然而，我们现在已经发现了许多新型的特化细胞核，它们都有非常特殊的基因表达模式，”Kim说。有些细胞核簇拥在邻近肌纤维的其他细胞附近:例如，肌腱细胞或肌束细胞(围绕一束肌纤维的结缔组织鞘)。

“其他特殊的细胞核似乎控制着局部的新陈代谢或蛋白质合成，分布在整个肌肉纤维中，”Kim解释说。然而，目前还不清楚细胞核中活跃的基因到底在做什么:“我们已经在肌肉纤维中未知的小群细胞核中发现了数百个基因，它们似乎被激活了，”Birchmeier报告说。

肌肉萎缩似乎导致许多类型的细胞核丢失

下一步，研究小组研究了Duchenne小鼠的肌纤维核肌肉萎缩症。这种疾病是人类中最常见的遗传性肌营养不良症（肌肉浪费）的形式。它是由X染色体上的突变引起的，这就是为什么它主要影响男孩。患有这种疾病的患者缺乏蛋白质营养不良蛋白，其稳定肌肉纤维。这导致了这一点细胞逐渐死亡。

“在这种小鼠模型中，我们观察到肌肉纤维中许多类型的细胞核的丧失，”Birchmeier报道。随着团队之前观察到的，其他类型不再被组织成簇，但在整个细胞中散落。“当我第一次看到它时，我无法相信这一点，”她辞考了。“我让我的团队在我们调查了任何进一步的发现之前立即重复单核排序。”但结果保持不变。

小鼠的细胞核与人类患者的相似

“我们还发现了一些疾病特异性的核亚型，”Birchmeier报告说。其中一些是只在很小程度上转录基因并处于死亡过程中的细胞核。其他人则核包含基因积极修复受损的肌纤维。“有趣的是，我们还观察到患者肌肉活组织检查中基因活性的这种增加肌肉疾病由MDC的Simone Spuler教授的肌肉学实验室提供，”Birchmeier说。“这似乎是肌肉试图抵消疾病相关损害的方式。”

Birchmeier总结说:“通过我们的研究，我们提供了一种强有力的方法来研究肌肉的病理机制，并测试新的治疗方法的成功。”由于肌肉功能障碍也可以在各种其他疾病中观察到，如糖尿病和年龄或癌症相关的肌肉萎缩，这种方法也可以用来更好地研究这些变化。“我们已经在计划对其他疾病模型进行进一步的研究，”Kim证实道。

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