DOI: https://doi.org/10.1038/s41419-024-06863-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39039044
تاريخ النشر: 2024-07-22
المؤلف: Ying Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: إنترفيرون واستجابات المناعة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة دور إشارات المناعة الفطرية cGAS-STING في الوساطة بين الشيخوخة الخلوية في خلايا العضلات ما بعد الانقسام، باستخدام الألياف العضلية من فئران زيمبست 24 -/- المصابة بالشيخوخة المبكرة، وهو نموذج لمتلازمة هاتشينسون-غيلفورد للشيخوخة المبكرة (HGPS). لاحظ الباحثون أن الألياف العضلية من زيمبست 24 -/- أظهرت أنماط ظاهرة مرتبطة بالشيخوخة تتميز بزيادة الأضرار التأكسدية في الحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA) وإفراز عوامل النمط السري المرتبط بالشيخوخة (SASP). ومن الجدير بالذكر أن هذه الألياف العضلية أظهرت زيادة في إفراز mtDNA من الميتوكوندريا التالفة، واضطراب في الميتوفاجي، وتنشيط مسار cGAS-STING.
كما كشفت الدراسة أن زيادة إفراز mtDNA في الألياف العضلية من زيمبست 24 -/- كانت مرتبطة بزيادة في تكتل قناة الأنيون المعتمدة على الجهد 1 (VDAC1). أدى تثبيط تكتل VDAC1 باستخدام VBIT4 إلى تقليل إفراز mtDNA، وتنشيط cGAS-STING، وتعبير عوامل SASP. توضح هذه النتائج آلية جديدة تربط بين تنشيط المناعة الفطرية والشيخوخة الخلوية في خلايا العضلات ما بعد الانقسام المتقدمة في العمر، مما يمهد الطريق لعلامات تشخيصية جديدة وأهداف علاجية للشيخوخة المبكرة واضطرابات العضلات المرتبطة بالشيخوخة.
مقدمة
تناقش المقدمة دور الألياف العضلية الهيكلية في إصلاح العضلات وتأثير الشيخوخة والشيخوخة المبكرة على وظيفة الألياف العضلية. يعتبر ضمور الألياف العضلية نمطًا ظاهريًا مهمًا يُلاحظ في الشيخوخة والشيخوخة المبكرة، ويرجع ذلك أساسًا إلى الشيخوخة واستنفاد خلايا جذع العضلات، والتي ترتبط بزيادة الأضرار في الحمض النووي النووي (ncDNA). على عكس خلايا جذع العضلات، لا تعاني الألياف العضلية، كونها ما بعد الانقسام، من ضغط النسخ، مما يجعل الآليات الجزيئية لشيخوختها أقل فهمًا. تسلط المقدمة الضوء على أهمية الميتوكوندريا في إنتاج الطاقة في الألياف العضلية والعواقب المحتملة لتلف الميتوكوندريا، بما في ذلك ضعف الميتوفاجي، والذي يمكن أن يؤدي إلى الشيخوخة الخلوية وتنشيط استجابات المناعة الفطرية.
تقترح الورقة أنه في الألياف العضلية المتقدمة في العمر بسبب الشيخوخة المبكرة، قد يؤدي زيادة تلف الميتوكوندريا وضعف الميتوفاجي إلى تنشيط مسارات إشارات المناعة الفطرية، مما يساهم في الشيخوخة الخلوية. تركز الدراسة على دور شظايا الكروماتين السيتوبلازمي والحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA) في تحفيز الاستجابات المناعية، وخاصة من خلال مسار cGAS-Sting. كما يؤكد المؤلفون على أهمية قناة الأنيون المعتمدة على الجهد 1 (VDAC1) في نفاذية غشاء الميتوكوندريا وإفراز mtDNA، مفترضين أن زيادة تكتل VDAC1 في الألياف العضلية المتقدمة في العمر بسبب الشيخوخة المبكرة قد تؤدي إلى زيادة تنشيط المناعة الفطرية. تهدف الأبحاث إلى دراسة هذه الآليات باستخدام الألياف العضلية المزروعة في المختبر من فئران من النوع البري وفئران زيمبست 24 الناقصة، مستكشفة العلاقة بين تلف الميتوكوندريا، وإفراز mtDNA، وتنشيط إشارات المناعة الفطرية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام فئران زيمبست 24 -/- (Z24 -/-)، التي تفتقر إلى البروتيناز المعدني زيمبست 24 الضروري لنضوج اللامين A، كنموذج مثبت لمتلازمة هاتشينسون-غيلفورد للشيخوخة المبكرة (HGPS) والشيخوخة المبكرة. تم إنشاء مجموعة ضابطة من النوع البري (WT) متطابقة في العمر، زيمبست 24 +/+ (Z24 +/+)، من أزواج تربية زيمبست 24 +/-. التزمت جميع إجراءات الحيوانات بالإرشادات التي وضعتها لجنة رفاهية الحيوانات في UTHealth وتمت في مركز الطب ورعاية الحيوانات المخبرية (CLAMC) في UTHealth.
شملت الدراسة كل من ذكور وإناث فئران Z24 -/-، حيث لم تظهر أي اختلافات كبيرة في أنماط الشيخوخة المبكرة. على وجه التحديد، شملت الأبحاث ستة ذكور لتحليل العضلات والألياف العضلية، بينما تم فحص ست إناث لخلايا جذع/خلايا سلف العضلات (MPCs). سمح هذا النهج بإجراء تحقيق شامل في تأثير نقص زيمبست 24 على الخصائص المتعلقة بالعضلات في سياق الشيخوخة المبكرة.
النتائج
في هذه الدراسة، أظهرت الألياف العضلية الهيكلية لفئران Z24 -/- زيادة في تلف الحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA)، كما يتضح من ارتفاع مستويات γ-H2AX، وهو علامة لتلف الحمض النووي، في السيتوبلازم للألياف العضلية مقارنة بفئران النوع البري (WT). أكدت صبغة المناعة الفلورية أن إشارة γ-H2AX تتواجد مع VDAC1، وهو بروتين غشاء ميتوكوندري، مما يشير إلى أن الضرر الملحوظ كان مرتبطًا بشكل خاص بـ mtDNA. من المهم أنه لم يتم ملاحظة اختلافات كبيرة في تلف الحمض النووي النووي (ncDNA) بين الألياف العضلية WT و Z24 -/-، مما يشير إلى أن الألياف العضلية المتقدمة في العمر بسبب الشيخوخة المبكرة لم تتعرض لزيادة في تلف ncDNA.
شملت التحليلات الإضافية خلايا جذع العضلات (MPCs) المعزولة من فئران WT و Z24 -/- المتطابقة في العمر، والتي تم زراعتها وتمايزها إلى أنابيب عضلية. كشفت صبغة المناعة أنه، بينما أظهرت خلايا Z24 -/- أحادية النواة مستويات مرتفعة من γ-H2AX، لم يكن هناك اختلاف كبير في مستويات تلف الحمض النووي في نوى الأنابيب العضلية متعددة النوى بين المجموعتين. وهذا يشير إلى أن سلامة النواة في الأنابيب العضلية Z24 -/- تبقى مقارنة بتلك الخاصة بالأنابيب العضلية WT على الرغم من زيادة تلف mtDNA الملحوظ في أليافها العضلية. تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام برامج مناسبة، مع نتائج تشير إلى دلالة عند p < 0.05.
المناقشة
توضح قسم المناقشة في ورقة البحث الأضرار التأكسدية المتزايدة والخلل الميتوكوندري الملحوظ في الألياف العضلية من فئران Z24 -/-، وهو نموذج للشيخوخة المبكرة. تسلط الدراسة الضوء على مستويات مرتفعة من 8-هيدروكسي ديكسي جوانوزين (8-OHdG)، وهو علامة للإجهاد التأكسدي، في الألياف العضلية Z24 -/- مقارنة بالضوابط من النوع البري (WT)، مما يشير إلى أضرار تأكسدية كبيرة في الحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA). علاوة على ذلك، تظهر النتائج زيادة في تكتل قناة الأنيون المعتمدة على الجهد 1 (VDAC1) في الألياف العضلية Z24 -/-، والتي تتوافق مع زيادة إفراز mtDNA إلى السيتوسول. يرتبط هذا الإفراز بضعف الميتوفاجي، كما يتضح من زيادة تعبير علامات الميتوفاجي مثل PINK1 و LAMP1، مما يشير إلى فشل في إزالة الميتوكوندريا التالفة بشكل فعال.
بالإضافة إلى ذلك، يتم ملاحظة تنشيط مسار إشارات cGAS-Sting في الألياف العضلية Z24 -/-، والذي يرتبط بإفراز mtDNA والاستجابات المناعية الفطرية اللاحقة. تشير الدراسة إلى زيادة تعبير عوامل النمط السري المرتبط بالشيخوخة (SASP)، مما يدل على نمط ظاهري مشابه للشيخوخة في هذه الألياف العضلية. من المهم أن تثبيط تكتل VDAC1 باستخدام VBIT4 أظهر تقليل تنشيط cGAS-Sting وتعبير عوامل SASP، مما يشير إلى إمكانية علاجية لتخفيف الأنماط الظاهرية المرتبطة بالشيخوخة في الشيخوخة المبكرة. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل بين الإجهاد التأكسدي، والخلل الميتوكوندري، وتنشيط المناعة الفطرية في سياق شيخوخة العضلات والشيخوخة المبكرة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41419-024-06863-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39039044
Publication Date: 2024-07-22
Author(s): Ying Li et al.
Primary Topic: interferon and immune responses
Overview
This study investigates the role of cGAS-STING innate immune signaling in mediating cellular senescence in postmitotic muscle cells, specifically using myofibers from Zmpste24 -/- progeria mice, a model for Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS). The researchers observed that Zmpste24 -/- myofibers exhibited senescence-associated phenotypes characterized by increased oxidative damage to mitochondrial DNA (mtDNA) and the secretion of senescence-associated secretory phenotype (SASP) factors. Notably, these myofibers showed enhanced release of mtDNA from damaged mitochondria, mitophagy dysfunction, and activation of the cGAS-STING pathway.
The study further revealed that the increased mtDNA release in Zmpste24 -/- myofibers was associated with heightened oligomerization of voltage-dependent anion channel 1 (VDAC1). Inhibition of VDAC1 oligomerization using VBIT4 led to a reduction in mtDNA release, cGAS-STING activation, and SASP factor expression. These findings elucidate a novel mechanism linking innate immune activation to cellular senescence in aged postmitotic muscle cells, potentially paving the way for new diagnostic markers and therapeutic targets for progeria and aging-related muscle disorders.
Introduction
The introduction discusses the role of skeletal muscle myofibers in muscle repair and the impact of aging and progeria on myofiber function. Myofiber atrophy is a significant phenotype observed in aging and progeria, primarily due to the senescence and exhaustion of muscle stem cells, which is linked to increased nuclear DNA (ncDNA) damage. Unlike muscle stem cells, myofibers, being postmitotic, do not experience replication stress, making the molecular mechanisms of their aging less understood. The introduction highlights the importance of mitochondria in myofiber energy production and the potential consequences of mitochondrial damage, including impaired mitophagy, which can lead to cellular senescence and activation of innate immune responses.
The paper proposes that in progeria-aged myofibers, increased mitochondrial damage and impaired mitophagy may activate innate immune signaling pathways, contributing to cellular senescence. The study focuses on the role of cytoplasmic chromatin fragments and mitochondrial DNA (mtDNA) in triggering immune responses, particularly through the cGAS-Sting pathway. The authors also emphasize the significance of Voltage-dependent anion channel 1 (VDAC1) in mitochondrial membrane permeabilization and mtDNA release, hypothesizing that increased VDAC1 oligomerization in progeria-aged myofibers may lead to heightened innate immune activation. The research aims to investigate these mechanisms using in vitro cultured myofibers from wild-type and Zmpste24 knockout mice, exploring the relationship between mitochondrial damage, mtDNA release, and innate immune signaling activation.
Methods
In this study, Zmpste24 -/- (Z24 -/-) mice, which lack the metalloproteinase Zmpste24 essential for the maturation of lamin A, were utilized as an established model for Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome (HGPS) and premature aging. Age-matched wild-type (WT) controls, Zmpste24 +/+ (Z24 +/+), were generated from Zmpste24 +/- breeding pairs. All animal procedures adhered to the guidelines set forth by the UTHealth Animal Welfare Committee and were conducted at the Center for Laboratory Animal Medicine and Care (CLAMC) at UTHealth.
Both male and female Z24 -/- mice were included in the study, as they exhibited no significant differences in progeria phenotypes. Specifically, the research involved six male mice for the analysis of muscle and myofibers, while six female mice were examined for muscle stem/progenitor cells (MPCs). This approach allowed for a comprehensive investigation into the effects of Zmpste24 deficiency on muscle-related characteristics in the context of progeria.
Results
In this study, the skeletal muscle myofibers of Z24 -/- mice exhibited increased mitochondrial DNA (mtDNA) damage, as evidenced by elevated levels of γ-H2AX, a marker for DNA damage, in the cytoplasm of myofibers compared to wild-type (WT) mice. Immunofluorescent staining confirmed that the γ-H2AX signal co-localized with VDAC1, a mitochondrial membrane protein, indicating that the observed damage was specifically related to mtDNA. Importantly, no significant differences in nuclear DNA (ncDNA) damage were observed between WT and Z24 -/- myofibers, suggesting that the progeria-aged myofibers did not experience increased ncDNA damage.
Further analysis involved muscle progenitor cells (MPCs) isolated from aged-matched WT and Z24 -/- mice, which were cultured and differentiated into myotubes. Immunostaining revealed that, while mononucleated Z24 -/- cells showed increased γ-H2AX levels, there was no significant difference in DNA damage levels in the nuclei of multinucleated myotubes between the two groups. This indicates that the nuclear integrity of Z24 -/- myotubes remains comparable to that of WT myotubes despite the increased mtDNA damage observed in their myofibers. Statistical analyses were performed using appropriate software, with results indicating significance at p < 0.05.
Discussion
The discussion section of the research paper elucidates the increased oxidative damage and mitochondrial dysfunction observed in myofibers from Z24 -/- mice, a model for progeria. The study highlights elevated levels of 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG), a marker of oxidative stress, in Z24 -/- myofibers compared to wild-type (WT) controls, indicating significant oxidative damage to mitochondrial DNA (mtDNA). Furthermore, the results demonstrate increased oligomerization of voltage-dependent anion channel 1 (VDAC1) in Z24 -/- myofibers, which correlates with heightened mtDNA release into the cytosol. This release is linked to impaired mitophagy, as evidenced by elevated expression of mitophagy markers such as PINK1 and LAMP1, suggesting a failure to effectively clear damaged mitochondria.
Additionally, the activation of the cGAS-Sting signaling pathway in Z24 -/- myofibers is noted, which is associated with the release of mtDNA and subsequent innate immune responses. The study reports increased expression of senescence-associated secretory phenotype (SASP) factors, indicating a senescence-like phenotype in these myofibers. Importantly, the inhibition of VDAC1 oligomerization using VBIT4 was shown to reduce cGAS-Sting activation and SASP factor expression, suggesting a potential therapeutic avenue to mitigate the senescence-associated phenotypes in progeria. Overall, the findings underscore the interplay between oxidative stress, mitochondrial dysfunction, and innate immune activation in the context of muscle aging and progeria.