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代谢学人--Nature Metabolism:内皮Dll4-肌肉Notch2轴调控骨骼肌质量

已有 2058 次阅读 2022-5-31 23:30 |个人分类:代谢精读|系统分类:科研笔记

代谢学人

Nature Metabolism:内皮Dll4-肌肉Notch2轴调控骨骼肌质量

文 | 张俊 仲银召 姚静

编辑 | 孟美瑶

校对 | 郭明伟

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 背景介绍

骨骼肌是一种高度可塑的组织器官,在呼吸、运动、全身代谢以及维持能量需求中起着至关重要的作用。除此之外,它还可以根据不同的条件来调节质量和功能,比如机体在衰老过程中,其中枢和外周神经系统神经支配能力下降、炎症和免疫反应上升,以及骨骼肌内蛋白质合成途径受损等因素会导致骨骼肌质量下降和功能衰退。此外在杜氏肌营养不良症中,患者肌细胞膜外基质、跨膜区、细胞膜内以及细胞核膜上的许多蛋白由于基因突变,导致编码蛋白的缺陷,进而减弱肌肉质量和功能。然而控制肌肉质量的上游机制仍不清楚。

Notch信号通路是介导细胞和细胞之间直接接触的主要信号通路之一,由Notch受体、配体、DNA重组结合蛋白Jκ(recombining binding protein Jκ, RBP-Jκ)等组成,可以调控细胞增殖、分化和凋亡。哺乳动物中具有4种已知的Notch受体和5种典型配体。一方面,4种同源Notch受体均为I型跨膜蛋白,由胞外结构域(Notch extracellular domain, NECD)、跨膜结构域(Transmembrane, TM)和胞内结构域(Notch intracellular domain, NICD)组成。Notch1和Notch2在成年哺乳动物的许多组织中广泛表达,而Notch3在血管平滑肌和周细胞中表达最多,Notch4在内皮细胞中表达最多。另一方面,5种Notch配体分别为Delta样分子(DLL1、DLL3、DLL4)和Jagged样分子(Jagged l、2),它们也是I型跨膜蛋白,由数量不等的表皮生长因子样重复序列组成。Notch信号通路具有进化保守性,在动物胚胎发生和成年组织再生过程中对干细胞功能的调节起着关键作用。受体与配体结合后,Notch受体的NICD被γ-分泌酶裂解、释放,随后迁移至细胞核,与下游效应因子RBP-Jκ结合,并招募转录复合体促进下游靶基因的转录,如Hes1、Hey1和HeyL等,进而影响细胞增殖、分化和凋亡。



在骨骼肌中,一种位于骨骼肌纤维膜与基底膜之间的成体干细胞对肌纤维的生长,修复和再生至关重要,因其排列方式类似肌纤维的卫星而被称为肌卫星细胞(Satellite cells,SC)。SC具有较强的自我更新能力,一般处于静止或未分化状态,而该状态的维持就需要Notch信号通路。研究表明,SC表达三个Notch受体(Notch1-3),其中Notch3充当SC增殖的负调节因子。当SC敲除Notch3后增殖得更快,而过表达N3ICD则会导致SC增殖能力下降,表明Notch3抑制了SC的增殖和自我更新。在机制上,过表达N3ICD或敲除Notch3不会引起Notch下游靶基因的表达变化,说明Notch3介导的信号通路不是经典的Notch-RBP-J-Hes/Hey信号通路。此外,本篇工作的作者在2018年证明了Notch1和Notch2共同维持SC静止状态下的细胞数量,并在其激活状态下的增殖和自我更新中起着至关重要的作用。在机制上,作者特异性敲除Notch1和Notch2后的第5天, SC由于无法正常增殖而逐渐耗尽。但是此前有研究表明SC特异性敲除RBP-J的前7天,SC的数量无明显变化。因此作者推测Notch1和Notch2在SC中介导的信号通路也并非经典的Notch-RBP-J-Hes/Hey信号通路。在本文中,作者发现Notch2不仅在未分化的SC中表达,也在终末分化的肌纤维中表达。因此他们就进一步探索Notch2在肌纤维中的作用。



敲黑板啦!

1、Notch2敲除可改善肌肉萎缩;

2、Notch2诱导的肌萎缩由FoxO信号通路介导;

3、Dll4通过Notch2诱导肌纤维萎缩;

4、诱导肌萎缩的Dll4来源于内皮细胞;

5、抑制Dll4是肌萎缩的一个治疗靶点。







 研究结果


1、Notch2敲除可改善肌肉萎缩


在前期研究中,作者已证明SC中表达Notch1和Notch2,然而在本篇工作中,作者发现在终末分化的多核肌纤维中也表达Notch2(图S1a-j)。为了检测Notch2的活性形式NICD在体内肌纤维中表达后产生的影响,研究人员构建了HSArtTA;TRECre;Rosa26LSL-N2ICD(N2-mTg)小鼠,其中Notch2的胞内结构域(N2ICD)在肌纤维中可以由强力霉素(DOX)特异性诱导表达(图S2a-b)。N2-mTg小鼠表现出肌肉重量、肌纤维大小和握力的降低 (图S2c-g)。


拓展阅读

骨骼肌N2ICD特异性过表达小鼠的构建策略

在构建条件性基因敲除小鼠时,我们可以使用诱导剂来调节Cre重组酶的启动子活性,比如四环素或干扰素等。在四环素调控系统中,一般需要两种转基因小鼠交配使用:1、由四环素响应启动子元件TRE,也称tetO)控制的Cre工具鼠(TRE-Cre/tetO-Cre);2、由组织特异性启动子驱动的表达反向四环素控制反式激活因子rtTA)的小鼠。TRE本身缺乏启动子活性,无法独立驱动下游基因的表达。只有当具有转录激活功能的rtTATRE/tetO结合后才能激活Cre的表达。rtTATRE/tetO的结合受四环素或四环素衍生物强力霉素(DOX)的调节。

在本文中,HSArtTA;TRECre小鼠在骨骼肌中特异性表达rtTA,然后在DOX的诱导下rtTA与TRE结合,特异性激活下游Cre的表达。Rosa26LSL-N2ICD小鼠则是在Rosa26位点插入lox-stop-lox“终止盒”序列(由强polyA信号或剪接体序列构成,能阻止转基因的转录)和N2ICD基因序列。在正常情况下并不表达N2ICD,而当存在Cre重组酶时,终止盒被Cre切除,最终能实现在骨骼肌中特异性表达N2ICD。



接着,为了探究Notch2在肌纤维中的功能,研究人员通过将Notch2f/f(N2f/f)小鼠与肌球蛋白轻链1f启动子驱动的Cre(Mlc1fcre/+)小鼠杂交,构建了肌纤维特异性Notch2敲除(N2−/−)小鼠 (图S3a)。N2−/−小鼠生长正常,未显示任何异常表型(图S3b-e)。由于上文中肌纤维中Notch2的组成型激活会导致肌肉萎缩(小编注:组成型是指作者只过表达了Notch2被激活后的胞内结构域N2ICD,而并不是过表达全长的Notch2),于是研究人员使用两种不同的小鼠模型检测了Notch2敲除的效果:去应力负荷(mechanical unloading)/废用和代谢异常(糖尿病)诱导的肌萎缩。值得一提的是,作者将小鼠后肢固定(HU)7天来构建废用性肌萎缩模型(图1a)。结果显示,通过固定小鼠后肢,Notch2在N2f/f小鼠的跖肌(PLA)肌纤维中表达增加(图1b)。并且研究人员发现HU降低了N2f/f小鼠的比目鱼肌(SOL)、PLA和腓肠肌(GAS)的肌肉质量,而N2−/−小鼠的肌肉质量基本未受影响(图1c),其PLA的肌纤维横截面积(CSA)也未发生改变(图1d-e)。以上结果表明Notch2敲除能改善HU诱导的肌萎缩。



糖尿病(DM)会导致机体血糖表现出长期高水平的状态,这是肌萎缩的一个高危因素。为了探究Notch2敲除对糖尿病诱导的肌萎缩的影响,研究人员构建了链脲佐菌素(STZ)诱导的DM小鼠模型(图1f)。N2f/f和N2−/−小鼠在腹腔注射STZ后均出现类似的高血糖水平(图1g),并且N2f/f DM小鼠的趾长伸肌(EDL)肌纤维中Notch2基因表达上调(图1h)。N2f/fDM小鼠的胫骨前肌(TA)、PLA和GAS的肌肉质量与TA的肌纤维横截面积显著下降,而N2−/−DM小鼠的以上指标都没有明显变化(图1i-k)。除此之外,为了排除STZ产生的毒副作用的影响,作者使用了另外一种糖尿病Akita小鼠,他们发现Notch2敲除也改善了Akita小鼠的肌肉萎缩(图S3f-g)。在力量方面,TA的强直性肌张力(Tetanic force)在N2f/f组显著降低,而在N2−/−组变化不显著(图1l-m)。更重要的是,作者利用透射电子显微镜(TEM)发现N2f/f组的肌肉中出现了肌节断裂,并伴随异常三联体和线粒体肿胀的形成,而这些在N2−/−组小鼠的肌肉中并未观察到(图1n)。以上结果表明Notch2敲除能改善DM诱导的肌萎缩。总之,在废用或糖尿病诱导的肌萎缩模型中,Notch2在成年小鼠的肌纤维中表达升高,随后损害小鼠的肌肉表型。然而敲除Notch2之后,因造模而引起的肌萎缩却得到改善。因此Notch2介导的信号通路在肌萎缩中发挥着重要作用


拓展阅读

糖尿病Akita小鼠

Akita小鼠是一种I型糖尿病遗传诱导模型。小鼠与人类不同,小鼠具有两个胰岛素基因:Ins1Ins2Akita小鼠也叫Ins2鼠或MODY4鼠,其位于7号染色体的Ins2基因发生显性错义突变。在突变等位基因中,核苷酸1907位的G突变为A,破坏了外显子3中的Fnu4HI位点。该突变将成熟胰岛素A链中的第七个氨基酸Cys96TGC)变为TyrTAC),导致Ins2A链和B链之间的一个关键二硫键无法形成,从而导致proinsulin-2蛋白的错误折叠。错误折叠蛋白在内质网(ER)中聚集。由于内质网的降解能力有限,这些蛋白的积累最终会导致内质网应激和胰岛β细胞凋亡。Akita杂合子小鼠不需要外源诱导即可快速发生糖尿病,是化学药物诱导模型的理想替代小鼠,也非常适合应用到同种异体或异种胰岛移植相关研究中。Akita小鼠也是II型糖尿病的模型之一,特别是用于研究β细胞内质网应激在糖尿病发病机制中的作用。


肌萎缩的电镜分析

线粒体肌病是线粒体病的亚型,其中专指选择性累及骨骼肌为特征的,临床表现为四肢无力或运动耐受力下降为主的称为单纯性线粒体肌病。利用电镜分析患病的肌肉组织,其中线粒体表现出肿胀变圆、嵴断裂和排列紊乱的结构特点。此外,骨骼肌纤维三联体由横小管和位于其两侧的肌浆网终池(胞内钙库)组成,它是肌纤维兴奋收缩耦联的结构基础。肌质网是骨骼肌细胞中重要的Ca2+调节细胞器, 它既是Ca2+储存的主要位点, 也是Ca2+释放的主要位点。线粒体肌病的患者肌质网中的Ca2+含量下降, 然而线粒体中的Ca2+增加, 于是导致严重的细胞内钙的稳态失衡,进而影响肌动蛋白横桥上的ATP 酶活力, 使肌肉兴奋收缩偶联发生障碍, 最终引起肌力下降。


作者利用电镜分析Notch2敲除的肌肉组织和未敲除的肌肉组织,发现肌纤维变性表型,包括肌节断裂、异常的三联体和线粒体肿胀变圆。虽然这些异常的肌肉表型是线粒体肌病的病理特征,但是线粒体肌病也会导致肌萎缩,因此许多研究都将这些肌纤维变性表型作为肌萎缩的marker


参考文献:

[1] 吕佩源,等.线粒体肌病的电镜图像分析研究.中国体视学与图像分析,2003(04):240-243.
[2] Fujimaki S, et al. Nat Metab. 2022;4(2):180-189.




图 S1 | Notch2在成年小鼠的肌纤维中表达



 S2 | Notch2的组成型激活诱导肌萎缩


 S3 | Notch2敲除对小鼠生长及糖尿病小鼠的影响


图 1 | Notch2失活可以防止肌肉萎缩



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2、Notch2诱导的肌萎缩由FoxO信号通路介导


上文提到,Notch2在SC中与配体结合后,会激发下游Notch-RBP-J-Hes/Hey经典信号通路,从而使SC维持静止或未分化状态。然而仍不清楚两种模型诱导的肌萎缩是否也依赖于Notch经典信号通路,于是作者构建了RBP-J和Hes1敲除小鼠并造模。然而,肌纤维中敲除RBP-J (Rbpj−/−)和Hes1 (Hes1−/−)均不会改善HU和DM诱导的肌萎缩(图S4a-j)。除此之外,作者还将Rbpj−/−小鼠与N2-mTg小鼠杂交,使小鼠在肌纤维中过表达N2ICD,但敲除下游的RBP-J。结果显示,N2-mTg;Rbpj−/−小鼠肌肉质量下降,但SC和肌核的数量没有变化(图S4k-p)。因此,与SC不同, Notch2介导的肌萎缩过程并非由经典的Notch-RBP-J-Hes/Hey信号通路所介导。近年来有研究表明,在肌肉中过表达Notch1的胞内结构域会导致严重的肌肉生长缺陷和神经-肌肉接头(NMJ)受损。然而研究人员却未观察到N2-mTg;Rbpj−/−小鼠肌肉NMJ的形态发生异常(图S4q-s)。

为了探究Notch2介导的肌萎缩中的信号通路,作者在RNA-seq的转录组分析中发现,在HU和DM条件下,N2f/f小鼠的肌肉中许多基因的表达都发生了显著变化,而在N2−/−肌肉中只有少数基因的表达发生了变化(图1o),说明Notch2主要调控肌肉废用或代谢异常诱导的基因表达。因此,作者对两种模型N2f/f组肌肉中普遍上调的基因进行KEGG分析,发现诱导肌萎缩的核心FoxO信号通路在N2f/f的肌肉中上调最明显(图1p,q和图S5a-d)。除此之外,在N2f/f组中,研究人员证实FoxO靶基因包括Ccng2、Cdkn1b、Rbl2和Bnip3表达上调,并且一些肌萎缩相关基因(如MuRF1、Atrogin1、Fbxo31和MUSA1)表达也显著上升。相反,这些基因在N2−/−组的肌肉中没有明显变化(图1r-s)。在N2-mTg;Rbpj−/−小鼠中,肌肉中过表达N2ICD可导致不依赖于RBP-J的FoxO靶基因和肌萎缩相关基因的表达增加(图S5e-g)。然而,N2ICD不太可能直接激活FoxO信号通路来促进肌萎缩,因为免疫沉淀实验显示N2ICD既不结合FoxO蛋白,也不结合其上游激酶Akt(图S5h-i)。然而N2f/f肌肉中,FoxO蛋白的去磷酸化和核积累水平增加,磷酸化Akt水平降低,但在N2−/−肌肉中没有以上变化(扩展数据图5j-l)。虽然还不清楚在N2−/−组中的Akt磷酸化水平是如何保持不变的,但据报道,TRAF6-Akt轴在肿瘤细胞中可以被N2ICD所抑制,因此作者推测TRAF6-Akt轴可能参与了这一维持机制。除此之外,FoxO1的过表达会导致肌管萎缩,并且Notch2敲除也无法挽救(图5m-r)。总之,上述结果表明N2ICD虽然不是直接促进FoxO的转录活性,但是它能作为FoxO信号通路的上游调节因子,以某种方式降低FoxO的磷酸化水平,从而使FoxO顺利入核,促进下游基因的表达,最终导致肌萎缩。


图 S4 | Notch2诱导的肌萎缩与RBPJ和Hes1无关



图 S5 | Notch2诱导的肌萎缩由FoxO信号通路介导


3

3、Dll4通过Notch2诱导肌纤维萎缩


为了确定哪些Notch配体激活肌纤维中的Notch2,研究人员从EDL中分离肌纤维,并在组织培养板底面各包被4种Notch配体重组蛋白(图2a)来处理肌纤维小编注:作者在这里只使用了Dll1、Dll4、Jag1和Jag2共4种重组蛋白,缺少Dll3。然而只有Dll4处理肌纤维后,才会诱导其萎缩(图2b-c)。并且Dll4处理组的FoxO靶基因和肌萎缩相关基因表达上调(图2d),与上文体内模型一致(图1r-s)。为了确定细胞间接触介导的Notch配体是否能诱导肌纤维萎缩,研究人员将表达Dll1或Dll4的质粒转染HEK293细胞,并将转染后的细胞与分离的肌纤维共培养(图2e)。结果显示,表达Dll4的HEK293细胞会导致肌纤维的形态减小(图2f),这进一步支持Dll4作为一种特异性配体诱导肌纤维萎缩。由于N2−/−组的肌纤维和γ-分泌酶抑制剂(DAPT)(小编注:受体与配体结合后,Notch受体的NICD被γ-分泌酶裂解、释放,随后迁移至细胞核,与下游效应因子结合,并招募转录复合体促进下游靶基因的转录,故而γ-分泌酶抑制剂处理可阻断配体与受体结合后的激活作用,从而抑制该信号通路)处理的肌纤维对Dll4刺激完全耐受,因此这种Dll4诱导的肌纤维萎缩是通过Notch2和γ-分泌酶活性介导的(图2g-h)。除此之外,给小鼠体内处理DAPT也导致废用性和糖尿病诱导的肌萎缩的抑制(图S6a-e)。



图 2 | Dll4通过Notch2诱导肌纤维萎缩


图 S6 | 抑制γ-分泌酶的活性可减轻废用和糖尿病条件下的肌萎缩




4、来自内皮细胞的Dll4诱导肌萎缩

研究表明,Dll4在分化肌管中能够表达,并且Dll4也表达于肌肉组织中的微血管内皮细胞(ECs)以及其他组织,如视网膜。接下来,研究人员探究了Dll4配体的来源。通过单核RNA-seq(snRNA-seq),证实在Satelite cells,Endothelial cells,Immune cells,Smooth muscle cells,Tenocytes,Adipocytes等细胞类型中,Dll4仅在肌肉组织的ECs中可检测到(图3a,图S7a-d),并且作者还发现只有Notch2在肌纤维中广泛表达(图S7e)。此外,与新鲜分离的肌纤维相比,成年小鼠肌肉组织中的CD31+ ECs高表达Dll4(图3b)。在EC特异性敲除Dll4的肌肉中,Dll4的蛋白表达显著降低 (图S7f)。在HU和DM条件下,GAS中CD31+ ECs的Dll4 RNA水平均上调,但在肌纤维中没有明显变化(图3c,图S7g),免疫组化进一步验证这一结果(图3d)。值得注意的是,免疫电镜显示Dll4分布在EC和肌纤维之间的间隙(包括细胞外囊泡EVs),以及DM肌肉中EC和肌纤维的表面上(图3e-g,图S7h)。因此,在DM条件下的肌肉组织中,ECs生成并释放Dll4到细胞间隙,这可能会选择性地激活肌纤维上表达的Notch2受体,进而导致肌萎缩。(小编注:这里的免疫组化只关注到DM条件下的Dll4分布情况,忽略了HU条件)


为了检测ECs在体外是否也能分泌Dll4,研究人员收集了原代ECs的培养基并浓缩。免疫印迹分析显示,相比于低糖条件下(5 mM,模拟的健康血糖水平),Dll4在高糖条件下(25 mM,模拟糖尿病的高血糖水平)可以检测到更高的蛋白表达 (图3h)。此外,将含有Dll4蛋白的条件培养基分离为三个部分:大型EVs(包括凋亡小体和微泡),小型EVs(包括外泌体)和除去EVs的上清。研究人员发现Dll4蛋白仅在除去EVs的上清中以可溶性形式存在(图3i)。这些结果表明,Dll4蛋白以可溶性形式从ECs中释放

为了探究ECs释放的Dll4在肌纤维萎缩中的作用,研究人员将原代ECs与分离的肌纤维共培养(图3j)。在Transwell共培养实验中,研究人员发现与ECs共培养时肌纤维的大小明显减少,并且在ECs中利用siRNA敲减Dll4后,肌纤维萎缩可以恢复。除此之外,在肌纤维中敲除Notch2或使用抗Dll4中和抗体(αDll4)也能重复上述结果(图3k-n)。并且,研究人员也利用si-Dll4和αDll4证实了EC分泌的Dll4在人骨骼肌细胞中可以促进肌管萎缩(图S8a-i)。当给EC培养基的上清处理αDll4后再培养小鼠EDL肌纤维时,肌纤维并没有发生萎缩现象(图S9a-c),这进一步表明来自ECs的可溶性Dll4是导致肌纤维萎缩的原因。然而,在体外共培养EC和小鼠肌纤维时加入Fc融合的Dll4重组蛋白(rDll4-Fc)后,肌纤维萎缩却得到一定程度上的改善,并且在体内实验也是同一结果(图S9d-i)。虽然尚不清楚造成这一现象的机制,但作者推测内源性Dll4和重组的rDll4-Fc在蛋白质修饰和结构上的差异可能导致它们发挥不同的功能,因此需要进一步纯化内源性Dll4蛋白来阐明可溶性Dll4诱导肌纤维萎缩的机制。


图 3 | 来自ECs的Dll4诱导肌萎缩

图 S7 | Dll4的表达仅限于成年肌肉组织中的ECs

图 S8 | Dll4阻断可防止人骨骼肌萎缩


 S9 | αDll4或rDll4-Fc重组蛋白对肌萎缩的影

5

 

5、抑制Dll4是肌萎缩的一个治疗靶点


为了研究EC来源的Dll4在体内肌肉中的病理作用,研究人员构建了EC特异性的Dll4纯合(Cdh5CreERT2/+;Dll4f/f,Dll4−/−)和杂合敲除(Cdh5CreERT2/+;Dll4f/+,Dll4+/−)小鼠,并且Dll4敲除由它莫西芬(tamoxifen)诱导,随后造模。在HU条件下,Dll4纯合敲除(Dll4−/−)小鼠表现出与对照组(Dll4+/+)相似的肌肉质量下降,但是杂合敲除(Dll4+/−)时,小鼠肌萎缩却得到改善(图4a-c)。于是作者推测抑制Dll4的肌肉改善效果会被完全敲除Dll4导致的不良效应所抵消,因此只需杂合就能发挥改善肌肉的功能。作者在DM条件下也只检测了杂合敲除小鼠和对照组的表型,结果显示杂合敲除小鼠的肌肉质量没有下降(图4d-g)。总之,以上结果说明在一定程度上抑制Dll4的表达能够改善HU和DM诱导的肌萎缩


拓展阅读

常用的内皮细胞特异性Cre工具鼠

1、Cdh5-cre

CDH5,即血管内皮钙粘素5(cadherin 5),是一种在血管中特异表达的钙依赖性细胞糖蛋白。它在内皮细胞聚集和细胞间连接的形成中发挥重要作用。Cdh5-cre小鼠在cdh5启动子的控制下表达cre重组酶。本文利用的Cdh5-cre小鼠品系则是将Cre替换成CreERT2,通过他莫昔芬诱导可激活重组酶活性,然后将该Cre小鼠与Dll4f/f小鼠杂交,最终获得具备条件性和可诱导性的Dll4敲除小鼠。

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2、Tek-cre/Tie2-Cre

转基因小鼠表达Cre重组酶是由受体酪氨酸激酶Tek/Tie2的启动子或增强子调控,并且在胚胎和成年期间中的内皮细胞中均存在表达。

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接下来,作者使用αDll4来处理WT小鼠,观察中和抗体是否也能带来相同的效益。结果显示在不影响肌纤维的卫星细胞数量的基础之上,αDll4处理之后能显著降低HU引起的肌肉质量和CSA的下降(图4h-k)。在基因表达水平上,FoxO靶基因和除Atrogin1以外的肌萎缩相关基因的表达水平也被αDll4抑制(图4l)。与HU组一致,αDll4处理对DM诱导的肌萎缩具有强大的预防作用,但不能影响血糖水平(图4m-q)。研究人员同时也评估了αDll4对严重高血糖导致的死亡率的有益作用(图4r)。对照组(αCont)处理的小鼠寿命较短(大约58天),而αDll4处理的小鼠表现出更好的存活率(70%的存活率),并伴有更高的肌肉力量(图4s-t)。因此,降低Dll4活性对高血糖引起的系统性稳态崩溃具有保护作用。考虑到糖尿病肾病是糖尿病患者死亡的主要原因,同时高血糖导致心血管死亡风险增加,作者推测过量的EC来源的Dll4会导致由微环境破坏引起的糖尿病并发症,最终导致死亡。


研究表明,Notch2、γ-分泌酶和Dll4的失活可有效抑制HU诱导的肌萎缩。接下来,作者研究了是否能通过增加应力负荷来抑制Dll4-Notch2轴,最终促进肌肉肥大。结果显示,通过挑断SOL和GAS的肌腱可以诱导PLA的肌肉肥大(小编注:肌肉肥大一般有三种机制,包括机械应力、代谢物积累及肌肉损伤,本文此处应用的是肌肉损伤;文中是在通过挑断SOL和GAS的肌腱可以诱导PLA的肌肉肥大后给予的应力负荷;机械应力负荷和肌肉损伤是两种不同的致使肌肉肥大的途径,应力负荷是额外给予的)(图4u)。在诱导肥大的PLA中,CD31+ ECs中Dll4的表达上调,但在增加应力负荷后PLA肌纤维中的Dll4没有上调(图S10a)。αDll4处理的小鼠的肌肉肥大率(由PLA肌肉质量和CSA测定)显著高于对照组小鼠(图4v-w)。与这些结果一致的是,N2−/−组、DAPT处理组和EC特异性敲除Dll4组都更容易出现肌肉肥大(图S10b-j)。综上所述,内皮细胞Dll4 -肌纤维Notch2轴在诱导肌萎缩和抑制肌肉肥大两方面都是至关重要的。在ECs中上调Dll4可能作为超负荷诱导的肌肉肥厚的负反馈调节因子,以维持组织稳态。

总之,作者的发现表明内皮细胞Dll4-肌纤维Notch2轴是治疗肌肉损耗性疾病的一个新的靶点(图4x)。同时,该研究还强调了Notch信号的一个特性,即EC衍生的可溶性Dll4可以在不直接进行细胞间交流(小编注:上文中,作者证明了EC细胞膜上的Notch配体能激活肌纤维的Notch受体,从而介导细胞-细胞交流。除此之外,在DM或HU条件下,EC能分泌可溶性的Dll4,参与骨骼肌萎缩过程,而该过程就不是直接的细胞-细胞交流)的情况下激活肌肉Notch2,这表明EC可能在全身组织稳态和疾病发生中具有组织特异性功能。



图 4 | 抑制Dll4是肌萎缩的一个治疗靶点


图 S10 | 抑制Dll4-Notch2轴促进肌肉肥大




 总结   


成年人的骨骼肌是一种高度可塑性的组织,可快速响应机械和代谢刺激而减少或增加质量,然而控制肌肉质量的上游机制仍不清楚。在本文中,研究人员揭示了多核肌纤维表达的Notch2在废用性诱导的肌萎缩或由糖尿病引起的肌萎缩中起关键作用。在机制上,在两种萎缩性疾病模型中,微血管内皮细胞上调并分泌Notch配体Dll4,进而激活骨骼肌中Notch2,且该过程不涉及直接的细胞间接触。抑制Dll4-Notch2 轴可显著改善骨骼肌萎缩,并促进小鼠机械超负荷诱导的骨骼肌肥大。研究结果阐明了内皮细胞在调控组织可塑性方面的组织特异性功能,并揭示了内皮细胞Dll4-骨骼肌细胞Notch2调控轴是机械和代谢刺激诱导的骨骼肌分解代谢信号中的关键上游机制,为骨骼肌萎缩疾病提供了治疗靶点。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s42255-022-00533-9




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