肌肉干细胞中肌营养不良蛋白的表达调控其极性和不对称分裂

Dystrophin expression in muscle stem cells regulates their polarity and asymmetric division

作者信息Nicolas A Dumont, Yu Xin Wang, Julia von Maltzahn, Alessandra Pasut, C Florian Bentzinger, Caroline E Brun, Michael A Rudnicki
PMID26569381
期刊Nat Med
发布时间2015-12
DOI10.1038/nm.3990

实验完整度

体外肌纤维培养、siRNA敲低、PLA、流式细胞术、Mark2敲除小鼠及体内损伤模型等多层级验证。

主要模型

小鼠卫星细胞(肌纤维培养) mdx小鼠 Mark2-/-小鼠 Pax7-CreER:Dag1fl/fl小鼠

重点核对

卫星细胞中Dmd和Dag1的mRNA表达水平(qPCR、RNA-seq、微阵列) 肌营养不良蛋白在卫星细胞中的表达及极化(免疫染色) 不对称分裂比例与Myog+细胞数量(mdx vs WT,siDmd vs siSCR) Mark2和Pard3的定位及表达水平(免疫染色、PLA) 有丝分裂纺锤体取向和异常分裂(p-Aurk染色)

摘要

肌营养不良蛋白在分化的肌纤维中表达,是肌膜完整性所必需的,其基因的功能缺失突变导致杜氏肌营养不良症(DMD),这是一种以进行性和严重骨骼肌变性为特征的疾病。在这里,我们发现肌营养不良蛋白在活化的肌肉干细胞(也称为卫星细胞)中也高表达,并与Ser/Thr激酶Mark2(也称为Par1b)结合,后者是细胞极性的重要调节因子。在缺乏肌营养不良蛋白的情况下,Mark2蛋白表达下调,导致Pard3无法极化到细胞对侧。因此,肌营养不良蛋白缺陷的卫星细胞中不对称分裂的数量显著减少,同时表现出极性丧失、异常分裂模式(包括中心体扩增、有丝分裂纺锤体定向受损和细胞分裂时间延长)。总之,这些内在缺陷大大减少了正确肌肉再生所需的肌源性祖细胞的产生。因此,我们得出结论,肌营养不良蛋白在调节卫星细胞极性和不对称分裂中具有重要作用。我们的发现表明,DMD中的肌肉 wasting 不仅由肌纤维脆性引起,还因卫星细胞内在功能障碍导致的再生受损而加剧。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肌营养不良蛋白在卫星细胞中是否存在功能作用,以及其缺失如何影响肌肉再生?
核心机制
肌营养不良蛋白在卫星细胞中与Mark2相互作用,维持Mark2蛋白稳定性和极性定位,进而促进Pard3的极化,建立细胞极性,指导不对称分裂。肌营养不良蛋白缺失导致Mark2下调,Pard3无法极化,不对称分裂减少,异常分裂增加,最终损害肌肉再生。
主要证据
mdx小鼠卫星细胞中不对称分裂比例降低80%,体外培养肌纤维中Myog+细胞减少36%。siRNA敲低Dmd或Mark2均导致不对称分裂减少。Mark2-/-小鼠卫星细胞表现出类似极性丧失和异常分裂。PLA证实Dmd与Mark2相互作用。
研究意义
揭示了DMD不仅是肌纤维脆性疾病,也是肌肉干细胞疾病,为DMD的基因治疗或外显子跳跃等干预提供了新的靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

检测DGC基因在卫星细胞中的表达

验证肌营养不良蛋白及其相关复合物在卫星细胞中是否表达。

通过RNA-seq、微阵列和qPCR分析分选的卫星细胞、成肌细胞和肌管中DGC基因的表达。

2

验证肌营养不良蛋白在卫星细胞中的表达和极化

确认肌营养不良蛋白在卫星细胞激活后表达并定位。

对肌纤维培养不同时间点的卫星细胞进行免疫染色,检测肌营养不良蛋白的N端、C端和杆状结构域。

3

评估不对称分裂和肌源性祖细胞生成

确定肌营养不良蛋白缺失对卫星细胞不对称分裂和分化能力的影响。

使用Myf5-Cre:R26R-YFP小鼠标记卫星细胞,培养42小时计数不对称分裂,培养72小时计数Myog+细胞。

4

研究肌营养不良蛋白与极性蛋白的相互作用

确定肌营养不良蛋白是否与Mark2、Pard3等极性蛋白相互作用。

使用PLA和免疫共沉淀检测内源蛋白相互作用,并通过免疫染色分析极性蛋白定位。

5

敲低或敲除极性蛋白验证功能

验证Mark2和Pard3在不对称分裂和肌源性分化中的作用。

对肌纤维培养中的卫星细胞进行siRNA敲低,或使用Mark2基因敲除小鼠分析表型。

6

分析有丝分裂纺锤体取向和异常分裂

检查卫星细胞有丝分裂的完整性和方向性。

通过p-Aurk染色标记中心体,评估纺锤体取向和异常分裂事件。

7

体内验证卫星细胞再生能力

评估卫星细胞特异性DGC缺失对肌肉再生的影响。

对Pax7-CreER:Dag1fl/fl小鼠进行他莫昔芬处理,注射心肌毒素诱导损伤,组织学分析肌纤维大小和卫星细胞密度。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
DMEM培养基Gibco--
I型胶原酶Sigma--
胎牛血清Wisent--
碱性成纤维细胞生长因子Cedarlane--
鸡胚提取物MP Biomedicals--
RNeasy小型试剂盒Qiagen--
NucleoSpin RNA II试剂盒Macherey-Nagel--
iScript cDNA合成试剂盒Bio-Rad--
SSoFast EvaGreen超混合液Bio-Rad--
CFX384实时荧光定量PCR检测系统Bio-Rad--
Nugen Ovation系统Nugen--
Solexa GIIx测序仪Illumina--
小鼠基因1.0 ST芯片Affymetrix--
Lipofectamine RNAimax转染试剂Life technologies--
小鼠抗Pax7抗体DSHB--
鸡抗GFP抗体Abcamab13970
小鼠抗肌营养不良蛋白C端抗体DSHBMANDRA1, clone 7A10
兔抗肌营养不良蛋白C端抗体Abcamab15277
小鼠抗肌营养不良蛋白杆状结构域抗体Vector LabsVP-D508
小鼠抗肌营养不良蛋白杆状结构域抗体Leica MicrosystemsDYS1-CE-S
小鼠抗肌营养不良蛋白N端抗体DSHBMANEX1011B, clone 1C7
小鼠抗Dag1抗体Abcamab49515
兔抗Dag1抗体SigmaD1945
兔抗Mark2抗体Cell Signaling Technology9118S
兔抗磷酸化Mark2 AF647偶联抗体Biossbs-5742R
兔抗Pard3抗体Millipore07-330
兔抗磷酸化Aurora激酶抗体Cell Signaling Technology2914S
大鼠抗itga7 AF647偶联抗体AbLab67-0010-10
小鼠抗itga7抗体CedarlaneK0046-3
大鼠抗层粘连蛋白抗体SigmaL0663
兔抗Myod1抗体Santa Cruzsc-304
兔抗Myog抗体Santa Cruzsc-576
Duolink PLA探针Sigma--
PE偶联抗Sca-1抗体BD Biosciences553108
抗CD45抗体BD Biosciences12-0451-83
抗CD31抗体BD Biosciences12-0311-81
抗CD11b抗体BD Biosciences12-0112-81
APC偶联抗itga7抗体AbLab67-0010-10
Hoechst 33342染料----
FACS缓冲液----
心肌毒素Latoxan--
他莫昔芬----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
卫星细胞分离与肌纤维培养
小鼠品系和年龄(2-3个月)、EDL肌纤维分离方法、胶原酶浓度(0.2%)和消化时间(45分钟)、培养时间点(0,12,24,36,42,72小时)、培养基成分(DMEM+20%FBS+1%鸡胚提取物+2.5ng/ml bFGF)
阅读提示:Methods: EDL fiber culture and siRNA transfection
siRNA转染
siRNA序列(Dharmacon smartpool)、转染试剂(Lipofectamine RNAimax)、转染时间(4h和16h)、敲低效率验证
阅读提示:Methods: EDL fiber culture and siRNA transfection; Supplementary Fig. 4b-e
免疫染色
固定条件(2%PFA 5分钟)、透化(0.1%Triton+0.1M甘氨酸)、封闭(5%马血清)、一抗浓度和孵育时间、二抗类型(Alexa fluor 488/546/647)、DAPI染色
阅读提示:Methods: Immunostaining and antibodies
不对称分裂分析
卫星细胞标记(Myf5-Cre:R26R-YFP)、培养时间(42小时)、YFP和Pax7免疫染色、增殖细胞核抗原(Ki67)或其他增殖标记
阅读提示:Methods: Characterization of satellite cell divisions; Figures 2,4
有丝分裂纺锤体取向分析
p-Aurk抗体(Cell Signaling 2914S)、培养时间(36小时)、中心体计数、异常分裂定义(单极、多极、胞质分裂缺陷)、apicobasal vs planar分类标准(60-90度 vs 0-30度)
阅读提示:Methods: Characterization of satellite cell divisions; Figure 5