Когда вы аплодируете силе и скорости животного или спортсмена, вы, вероятно, не хвалите их сухожилия (тяжи соединительной ткани, которые прикрепляют мышцы к костям), но, возможно, вам следует это делать. Ученые из Scripps Research обнаружили генетическую мутацию, которая дает сухожилиям возможность хранить больше энергии, позволяя мышам прыгать выше и развивать более высокие скорости, чем обычно, как сообщила команда 1 июня 2022 года в журнале Science Translational Medicine. Предварительные данные о людях предполагают, что вариант гена, который находится в сенсорном белке, известном как PIEZO1, может играть аналогичную роль у людей.

«Исходя из наших данных, PIEZO1 играет ключевую роль в свойствах сухожилий », — говорит старший автор Хироши Асахара, доктор медицинских наук, профессор молекулярной медицины в Scripps Research. «Он также может стать терапевтической мишенью для лечения возрастного снижения физической работоспособности».

Белок PIEZO1 представляет собой чувствительный к прикосновению ионный канал; он сидит на мембранах клеток и, когда обнаруживает давление, открывается, пропуская заряженные ионы. Впервые он был обнаружен в 2010 году профессором Scripps Research Ардемом Патапутяном, доктором философии, который получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2021 года частично за открытие и за демонстрацию того, как родственный белок PIEZO2 обеспечивает наши чувства осязания и проприоцепции.

«Эта новая роль PIEZO1 в биологии сухожилий, выявленная у мышей, подчеркивает, насколько важна эта группа ионных каналов», — говорит Патапутян, который также является медицинским исследователем Говарда Хьюза и сотрудничал с Асахара в новой работе. «Мы обнаруживаем все больше возможных новых ролей PIEZO в здоровье и болезнях, поскольку мы продолжаем их изучать».

Перегруженные мыши

За годы, прошедшие с тех пор, как Патапутян открыл PIEZO1, было показано, что этот белок играет роль в развитии кровеносных сосудов, сердца, костей и иммунных клеток . В прошлом году группа Патапутяна обнаружила, что вариант гена PIEZO1, которым обладает до трети лиц африканского происхождения, помогает защитить от малярии, но может предрасполагать людей к высокому уровню железа в крови.

Недавно другая группа исследователей обнаружила, что PIEZO1 регулирует MKX, ген, открытый Асахара и уже изучаемый на предмет его важности для развития сухожилий. Асахара задался вопросом, как вариант гена PIEZO1, исследованный группой Патапутяна, может повлиять на сухожилия.

Исследователи изучали мышей с генетическим изменением PIEZO1, которое приводило к тому же эффекту, что и у людей: ионный канал PIEZO1 закрывается медленнее каждый раз, когда он активируется. У некоторых мышей были генетические изменения во всех клетках тела, у некоторых — только в мышечных клетках, а у некоторых — только в клетках сухожилий. Мыши с генетическими изменениями во всех клетках или только в сухожилиях могли прыгать примерно в полтора раза дальше, чем другие мыши. Когда исследователи проверили, как далеко мыши могут бежать, они не обнаружили разницы в выносливости, но заметили, что мыши с мутацией PIEZO1 либо во всех их клетках, либо в их сухожилиях могли развивать более высокие максимальные скорости.

«Все эти результаты свидетельствуют о том, что эта мутация PIEZO1 улучшает ткань сухожилий таким образом, что это действительно влияет на физические способности », — говорит первый автор статьи Рио Накамичи, доктор медицины, доктор философии, бывший сотрудник лаборатории Асахара, который сейчас работает. в качестве хирурга-ортопеда в Университете Окаяма в Японии.

Когда команда повторила эксперименты с мышами, у которых была нормальная активность PIEZO1 во время эмбрионального развития, но с мутацией PIEZO1 после рождения, они наблюдали те же результаты, предполагая, что влияние мутации не только на начальное развитие сухожилий.

Чтобы узнать, как вариант PIEZO1 может давать мышам возможность прыгать выше и бегать быстрее, исследователи внимательно изучили мышцы и сухожилия животных. В целом, они обнаружили высокий уровень гена PIEZO1 в клетках сухожилий и низкий уровень в мышечных клетках, что свидетельствует о том, что этот ген не важен для функции мышц. Они показали, что в сухожилиях ионный канал отвечает за вход и выход кальция из клеток. Этот измененный поток кальция изменил уровни ряда других генов, включая MKX, которые участвуют в формировании и структуре клеток сухожилий.

Когда Накамичи, Асахара и их коллеги измерили ахилловы сухожилия мышей, они обнаружили, что у мышей с мутацией PIEZO1 сухожилия были примерно в 1,2 раза шире, а также более широкие фибриллы, составляющие каждое сухожилие. Дальнейший анализ показал, что сухожилия мышей с мутацией PIEZO1 были более податливыми — в отличие от жестких — и могли хранить примерно в три раза больше энергии, чем сухожилия других мышей, что объясняет их улучшенную способность прыгать и бегать. Не было никаких различий в мышцах или нервах животных.

Прыжки к людям

Чтобы выяснить, как их результаты на мышах могут быть перенесены на людей, группа объединилась с исследователями из консорциума Athlome, которые собирают генетическую информацию об элитных спортсменах. Среди 91 ямайского спринтера в базе данных Athlome 46% имели одну копию PIEZO1 с мутацией, затрагивающей сухожилия, и 8% имели две копии мутации. Среди ямайских студентов, которые не участвовали в соревнованиях по легкой атлетике, 31% имели одну версию мутации и только 2% имели две копии. Данные о греческих спортсменах показали аналогичные тенденции: у спринтеров в 3–5 раз больше, чем у контрольной группы, было две копии мутации, и от 1,3 до 1,75 раз больше у спринтеров, имеющих одну копию мутации, по сравнению с контрольной группой.

«Эти данные свидетельствуют о том, что то, что мы наблюдали у мышей , может быть верным и для людей, но требуется дополнительная работа, чтобы понять всю роль PIEZO1 в человеческих сухожилиях», — говорит Асахара.

Исследователи говорят, что в будущем нацеливание на этот белок может помочь в лечении травм сухожилий или в борьбе с возрастным снижением подвижности.