Ткани взрослых млекопитающих не способны к регенерации и залечивают раны путем образования шрамов. Это создает большие проблемы при повреждениях больших площадей тела, например при обширных ожогах. Однако ткани на ранних стадиях развития организма способны к регенерации без образования шрамов. Ученые из университета штата Вашингтон выяснили, какие генетические факторы ответственны за такую способность, и показали перспективу их использования во взрослом организме.
В эксперименте участвовали мыши в возрасте двух дней (P2) и 21 дня (P21). На второй день жизни развитие тканей еще идет, в то время как к 21-му достигается гомеостатическое состояние, свойственное взрослым тканям.
Одно из отличий шрамовой ткани от нормальной ткани кожи — отсутствие волосяных фолликулов, которые не восстанавливаются при образовании шрамов. Ученые показали, что мыши P2 способны регенерировать повреждения кожи с образованием новых волосяных фолликулов, в отличие от мышей P21, у которых происходит шрамообразование. Образованию волосяных фолликулов способствуют фибробласты, различные линии которых ответственны за образование разных структур: волосяных сосочков, ответственных за состояние и рост волоса, а также оболочки фолликула и волосяного мускула.
Для определения клеточных групп, ответственных за регенерацию и шрамообразование, ученые использовали секвенирование РНК единичных клеток. Всего было проанализировано 66 407 клеток из тканей в четырех состояниях — развивающегося, гомеостатичного, регенерирующего и состояния шрамообразования. Клетки разделялись на кластеры на основе экспрессирующихся в них генов. Далее оценивалась доля клеток в каждом кластере, полученная из каждого состояния.
Внимание ученых привлекли три кластера, в которые входили фибробласты — один из них почти на 100% состоял из клеток, соответствующих гомеостазу ткани, в то время как другой на 67,8% соответствовал состоянию развития. Именно фибробласты были выбраны для дальнейшего исследования.
Авторы работы провели повторное разделение на кластеры и анализ ассоциаций с состояниями внутри группы фибробластов. Один из полученных кластеров — папиллярные фибробласты, то есть фибробласты папиллярного (сосочкового) слоя кожи — оказался ассоциирован почти исключительно с развивающимися тканями. Фибробласты развивающихся тканей способны мигрировать к месту ранения и способствовать заживлению, а фибробласты во взрослых тканях к миграции не способны. При этом фибробласты, ответственные за развитие волосяных мускулов, принимают активное участие в шрамообразовании, однако не способны к дифференциации в волосяные сосочки.
Чтобы определить, экспрессия каких генетических факторов направляет дифференциацию фибробластов в сторону образования новых волосяных сосочков, ученые проанализировали соотношение мРНК, прошедших и не прошедших сплайсинг (RNA velocity analisys). Результаты анализа указали на гены регуляторных белков Lef1 и Wnt5a.
Для проверки роли Lef1 в регенерации тканей ученые вывели линию мышей с нокаутированным неработающим Lef1. У таких мышей развивался менее плотный волосяной покров и не наблюдалось регенерации, присутствующей у дикого типа на P2.
Далее они вывели других мышей, у которых Lef1 экспрессировался и во взрослом состоянии. У таких мышей не наблюдалось никаких патологических изменений фенотипа (что было возможно, поскольку оверэкспрессия Lef1 связана со злокачественными новообразованиями), и их кожные покровы регенерировали с образованием новых волосяных фолликулов даже на 24-й день жизни.
Полученные данные открывают новые пути для развития лечения кожных повреждений. «Мы смогли взять способности к регенерации от молодой, неонатальной кожи и перенести ее на взрослую кожу. Мы показали, что такая регенерация в принципе возможна», — говорит Райан Дрискелл, ведущий автор работы.
