NAD+ Възстановява основния часовник за възстановяване на мускулите

Учените от Северозападния университет откриват, че повишението на активността на NAD+ възстановява циркадния ритъм, движещ образуването на мускулни клетки след мускулно нараняване при мишки.

Ключови точки:

• Неправилното функциониране на циркадния часовник възпрепятства възстановяването на мускулите, като инхибира образуването на нови мускулни клетки след нараняване.
• Дисфункционалното формиране на мускули се дължи на преминаване от метаболизма на глюкоза към метаболизма на мазнините, намалявайки нивата на NAD+.
• Повишаването на NAD+ възстановява модулацията на гена SIRT1 и образуването на мускулни клетки.

Молекулярните часовници контролират много от биологичните процеси в нашето тяло

Като започнем от режима ни на сън до количеството кислород, което дишаме. Въпреки това, стареенето може да извади часовниците ни от синхрон, което да доведе до появата на състояния като диабет, затлъстяване и рак.

Според ново проучване дори възстановяването на мускулите изглежда съответства на тези часовници. В списанието Genes & Development Джу и колеги от Северозападния университет съобщават, че възстановяването на мускулите зависи от циркадните часовници. След нараняване, по-голям капацитет за възстановяване на мускулите възниква, когато мишките са по-активни и будни, отколкото когато са неактивни и почиват.

Нови мускулни клетки, необходими за мускулна регенерация. NAD+ Възстановява мускулите.

Но когато молекулярните часовници отговорни за възстановяването на мускулите се повредят, образуването на нови мускулни клетки, необходими за мускулна регенерация, се обърква поради преминаването на мускулните стволови клетки от глюкоза към използване на мазнини, което води до ниски нива на NAD+ – критична биоенергийна молекула. Увеличаването на NAD+ възстановява образуването на мускулни клетки, като компенсира тази неуспешна промяна в метаболизма.

„Нашето откритие, че възстановяването на окислително-редукционния метаболит, NAD+, до нарушени часовникови стволови клетки може да възстанови нормалната пролиферация и образуването на мускулни влакна, е вълнуващо, защото предполага, че възстановяването на NAD+ може да противодейства на ефектите от мускулно увреждане в „грешното“ време на деня, по време на нормални часове за почивка“, каза д-р Клара Пийк, асистент по биохимия и молекулярна генетика в Северозападния университет

Процесът на възстановяване на мускулите

Мускулното възстановяване (регенерация) включва мускулни стволови клетки, които се умножават и сливат, за да станат мускулни клетки, функционалните единици на мускула. Когато мускулът е наранен, кръвоносните съдове често се разкъсват и причиняват липса на кислород (хипоксия), като реактивират мускулните стволови клетки, за да започнат процеса на възстановяване на мускулите. Активираните мускулни стволови клетки се наричат ​​миобласти, предшествениците на напълно развитите мускулни клетки. Активираните миобласти се размножават – делят се и се умножават, за да увеличат броя си – след това се сливат, за да образуват тръба. Слятата тръба (миотуба) се превръща в зряла мускулна клетка в процеса на диференциация, завършвайки процеса на възстановяване на мускула. Малко се знае за това как циркадните часовници контролират възстановяването на мускулите.

Възстановяването на мускулите зависи от молекулярните часовници

Циркадните часовници не могат да се навият и настроят както механичен часовник, те се регулират от гени, които са главните превключватели за активиране на други гени. Тези главни превключватели се наричат Bmal1 и Clock и те насочват синхронизирането на специфични функции в рамките на даден тип клетка. Zhu и колегите му започнали изследване на молекулярния мускулен часовник, тъй като възстановяването на мускулите е било по-високо по време на активен/буден период, отколкото в неактивен / период на почивка на мишките.

За да определят дали зависимото от часовника мускулно възстановяване е специфично за мускулните стволови клетки, Zhu и колегите са използвали генетично модифицирани мишки с намален Bmal1 в техните мускулни стволови клетки. Резултатите показват, че след мускулно нараняване мускулните стволови клетки без Bmal1 имат признаци на нарушено възстановяване на мускулите, което показва, че часовниците на мускулните стволови клетки са необходими за процеса на възстановяване на мускулите.

Часовникът на мускулните стволови клетки контролира възстановяването на мускулите. 7 и 14 дни след нараняване (dpi), мишки с намален часовников ген Bmal1 в техните мускулни стволови клетки (Bmal1musc) показват нарушено възстановяване на мускулите, както се вижда от по-малкия размер на мускулните клетки (фибри). (вляво) Представителни изображения на мускулни срезове от контрола и Bmal1musc. (вдясно) Количествено определяне на размера на мускулите.

Молекулярният часовник регулира правилното формиране на мускулите

За да изследват ролята на миобластните молекулярни часовници по време на хипоксия, Zhu и колегите са използвали миобласти с изтрит Bmal1. Те показали, че тези миобласти не са успели да се размножат и диференцират по време на хипоксия. Освен това, генният анализ разкрил намалени нива на гени за размножаване в Bmal1-дефицитни миобласти, но повишени нива на гени за диференциация, което било неочаквано, тъй като миобластите не са успели да се диференцират. Тези резултати показват, че въпреки, че загубата на Bmal1 води до активиране на гени, свързани с мускулната диференциация, това е недостатъчно за стимулиране на правилното образуване на мускулни клетки.

Загубата на часовника променя избора на използване на хранителни вещества

Както генният анализ, така и директните измервания показват, че миобластите без Bmal1 преминават от метаболизиране на глюкоза – гликолиза – към метаболизиране на мазнини. Като част от нарушената гликолиза, Bmal1-дефицитните миобласти са намалили производството на лактат, което е по-лошо при хипоксични условия. Когато се произвежда лактат, NAD+ се регенерира, за да поддържа гликолизата. Затова Zhu и колегите предположили, че намаленото производство на лактат ще намали NAD+. Наистина, те наблюдавали по-ниски нива на NAD+ в миобласти без Bmal1, което предполага, че нарушената гликолиза води до намален NAD+.

Ниските нива на NAD+ променят активирането на ген чрез SIRT1

Тъй като NAD+ захранва активността на сиртуин 1 (SIRT1), ензим, който модулира активирането на гени чрез достъпност на ДНК (епигенетична регулация), Zhu и колеги оценили достъпността на ДНК в Bmal1-/- миобласти. Те открили общо увеличение на достъпа на ДНК до гени, свързани с диференциацията. Тъй като SIRT1 намалява достъпността на ДНК, тези констатации предполагат, че намалената NAD+-зависима SIRT1 активност дава достъп до диференциращи гени Bmal1-/- миобласти.

NAD+ възстановява дефектите на мускулния часовник

Zhu и колегите му тествали дали NMN (никотинамид мононуклеотид), прекурсор на NAD+, който повишава нивата на NAD+, може да спаси ефектите от загубата на Bmal1. Те открили, че NMN има частично въздействие, което предполага, че дефицитът на NAD+ е в основата на дефектите на разпространение и диференциация в миобластите без Bmal1. За да потвърдят това, северозападните учени третирали Bmal1-дефицитните миобласти с NADH оксидаза (чрез лентивирус), ензим, който повишава NAD+. Те открили, че усилването на NAD+ възстановява разпространението и диференциацията на миобластите по време на хипоксия след нараняване. Повишаването на NAD+ също е свързано с намалена достъпност на ДНК до диференциращи гени, което предполага, че активността на SIRT1 е възстановена. Тези открития показват, че NAD+ може да възстанови дефектите на мускулния часовник, наблюдавани в миобласти с повреден часовник.

Повишаването на NAD+ възстановява дефектите на мускулните стволови клетки. Празен (EV) или съдържащ NADH оксидаза (LbNOX) лентивирусен вектор бил доставен до контролни (WT) и Bmal1-/- (KO) миобласти. (вляво) Представителни изображения на миобласти при всякакви условия. (в средата) Размножаването (скоростта на растеж) и (вдясно) диференциацията на Bmal1-/- миобластите били увеличени чрез усилване на NAD+.

Може ли NAD+ да препрограмира нашите мускули в напреднала възраст?

Зу и колегите разкриват нова роля на часовника на молекулярните мускули при възстановяването на мускулите. То може да има знаение за мускулната регенерация в напреднала възраст. Много по-възрастни хора не могат да натрупат мускулна маса и сила, въпреки силовите тренировки. Това може да се дължи на липса на мускулен регенеративен капацитет в резултат на неправилно активиране на мускулни стволови клетки. Тъй като нашите молекулярни часовници престават да се регулират. То с възрастта, може да се окаже, че нашите часовници на мускулни стволови клетки допринасят за загуба на мускулна маса. Също така и сила в напреднала възраст. Ако това е така, тогава терапии за увеличаване на NAD+ биха могли да помогнат за препрограмиране на гените. Които са отговорни за правилното активиране на стволовите клетки и образуването на мускулни клетки. Това е след упражнения за резистентност.

Източник:

Zhu P, Hamlish NX, Thakkar AV, Steffeck AWT. Rendleman EJ, Khan NH, Waldeck NJ, DeVilbiss AW, Martin-Sandoval MS, Mathews TP, Chandel NS, Peek CB. BMAL1 стимулира възстановяването на мускулите чрез контрол на хипоксичната NAD+ регенерация в сателитните клетки. Genes Dev. 1 февруари 2022 г.;36(3-4):149-166. doi: 10.1101/gad.349066.121. Epub 2022, 3 февруари. PMID: 35115380; PMCID: PMC8887128.