Как упражнения защищают хрящ: сигнал микроРНК-29

Как упражнения защищают хрящ, если в суставном хряще нет собственных кровеносных сосудов? Работа в Nature Aging предлагает необычный ответ: часть эффекта физической нагрузки может передаваться с кровью в виде крошечных мембранных пузырьков с молекулярным «грузом».

Эти пузырьки называются внеклеточными везикулами. Клетки выделяют их во внеклеточную среду, а внутри могут находиться белки, липиды и молекулы РНК. Состав такого груза меняется в зависимости от состояния организма. Авторы новой работы проследили одну возможную цепочку почти целиком: аэробная нагрузка меняет микроРНК внутри циркулирующих везикул, а те воздействуют на стареющие клетки хряща.

Особенно важной оказалась микроРНК-29.

Сигнал после нагрузки оказался упакован в везикулы

Первой подсказкой послужили уже существовавшие данные секвенирования микроРНК во внеклеточных везикулах. В исходном эксперименте десять мужчин со средним возрастом около 69 лет выполняли 40 минут аэробной нагрузки на велоэргометре. Повторный анализ этих данных выявил 16 микроРНК, уровни которых заметно менялись после нагрузки; 15 из них повышались. Среди них были два представителя семейства микроРНК-29.

Затем исследователи использовали собственную трёхмесячную программу аэробных тренировок. В ней участвовали четыре человека 65–85 лет, половина из них — женщины. Объём тренировок постепенно увеличивали примерно с 70 до 150 минут в неделю. После программы во внеклеточных везикулах было больше микроРНК-29, чем в исходных образцах.

Но изменение молекул в крови само по себе ещё ничего не говорит о состоянии хряща. Поэтому следующая часть работы проходила уже в лаборатории.

Хондроциты — клетки, поддерживающие суставной хрящ, — выращивали в условиях, имитирующих старую ткань. С возрастом внеклеточный матрикс хряща становится жёстче, а такая механическая среда сама способна менять поведение клеток. Исследователи использовали жёсткую подложку и добавляли к хондроцитам везикулы, выделенные из крови участников либо до, либо после трёх месяцев тренировок.

Везикулы, полученные после тренировок, меняли морфологию клеток и повышали уровни коллагена II типа и SOX9 — двух показателей, связанных со здоровым состоянием хондроцитов. По нескольким признакам клетки становились больше похожи на хондроциты, растущие в более мягкой, «молодой» механической среде.

Эпигенетический замок на гене Klotho

Одной из наиболее интересных деталей оказалась связь с геном KL, кодирующим белок α-Klotho. Этот белок давно изучают в биологии старения, но здесь исследователей интересовала его локальная роль в хондроцитах.

В жёсткой среде промотор KL сильнее метилировался. Метилирование ДНК может уменьшать активность гена, не изменяя саму последовательность ДНК. Везикулы, полученные после тренировок, снижали метилирование промотора KL и повышали активность этого гена.

То есть физическая нагрузка была связана не просто с появлением очередного маркера в крови. Эксперименты указывали на более длинную цепочку: изменённый груз везикул мог менять эпигенетическое состояние клетки-мишени.

Компьютерный анализ выделил микроРНК-29 как одного из главных кандидатов, способных управлять этим эффектом. Когда её влияние виртуально исключали из регуляторной сети, предсказанный благоприятный эффект везикул ослабевал.

Авторы пошли дальше и создали везикулы, специально обогащённые микроРНК-29. В старых человеческих хондроцитах они воспроизводили часть эффектов «тренировочных» везикул и усиливали признаки синтеза хрящевого матрикса. Когда работу α-Klotho нарушали, эффект становился слабее. Это указывает на участие пути микроРНК-29 — KL/α-Klotho, хотя α-Klotho, судя по данным, объясняет не весь эффект.

От клеток к старому суставу

Последний шаг исследователи сделали на старых мышах. Везикулы, полученные после физической нагрузки, вводили непосредственно в коленные суставы. После этого состояние суставного хряща по исследованным признакам было лучше, чем в контрольных условиях.

Именно здесь проходит важная граница интерпретации. Работа не показывает, что у людей трёхмесячные тренировки восстановили повреждённый хрящ. Человеческая часть исследования была очень небольшой: ключевой длительный эксперимент включал всего четыре человека. Непосредственные эффекты на хрящ изучались на человеческих клетках и у мышей, а не в суставах участников.

Неизвестно также, какие ткани производят наиболее важные везикулы после нагрузки. Авторы исследовали прежде всего микроРНК, хотя белки, липиды и другие компоненты везикул тоже могут участвовать в эффекте. Наконец, работа касалась аэробной нагрузки, поэтому переносить механизм на любые виды упражнений пока нельзя.

Но исследование связывает несколько уровней биологии, которые обычно изучают отдельно. Физическая нагрузка меняет молекулярный груз циркулирующих везикул; среди этих изменений выделяется микроРНК-29; в клетках хряща меняется эпигенетическая регуляция KL; а экспериментальное усиление того же сигнала частично воспроизводит эффект.

Получается, что сустав может получать пользу от движения не только потому, что на него воздействуют мышцы и механическая нагрузка. Часть сообщения, возможно, действительно приходит к нему с кровью — упакованная в микроскопические везикулы.