Novel mechanisms regulating muscle growth and regeneration: elucidating the Klotho/Jmjd3/Wnt axis

项目摘要 骨骼肌的生长能力和对损伤和疾病的反应能力在很大程度上取决于一个群体， 肌源性干细胞，称为卫星细胞。在发育或受伤的肌肉中，卫星细胞高度活化 和增殖。一些子细胞然后经历复杂的分化程序，这是必要的， 建立或维持肌肉健康和功能。调节卫星细胞的机制的扰动 增殖或分化可导致正常肌肉功能的丧失，并且在某些情况下，缩短寿命。 我们发现Klotho蛋白调节年轻健康肌肉中卫星细胞的发育。作为 我们探索了Klotho影响卫星细胞的机制，我们了解到Klotho减少了 一种酶Jmjd 3的表达，该酶通过去除组蛋白上赖氨酸27的沉默标记来激活基因 3（H3K27）。此外，Klotho-Glycoprotein诱导的Jmjd 3减少与H3 K27增加有关。 甲基化和调节肌生成的Wnt-1相关基因表达减少。统称 观察结果表明，通过一种新的机制，肌生成是调节，涉及通过一个信号传导， Klotho/Jmjd 3/Wnt-1介导的途径。此外，该途径的潜在生物学重要性是 我们的研究结果强调，在卫星细胞中靶向删除Jmjd 3会导致Wnt减少， 信号传导、肌生成缺陷和新生小鼠死亡。 我们所提出的研究的中心假设是通过Klotho/Jmjd 3/Wnt通路的信号传导 通过调节卫星细胞的数量和分化在肌发生中起重要作用。而且我们 我提出，这种途径在整个生命过程中是保守的，从第一次出现卫星细胞开始， 胎儿肌纤维表面，并持续到成年，当卫星细胞被激活损伤或 疾病 我们建议通过以下具体目标来检验这一假设。 目标1.确定调节Klotho和Jmjd 3对纳塔尔肌肉生长和分化的影响。 目标二。确定调节Klotho和Jmjd 3对急性损伤后肌肉再生的影响。 目标3。确定卫星细胞Jmjd 3在晚期、胎儿、肌肉发育中的功能。 拟议的实验将确定调节卫星细胞的新机制的重要性 发展和对肌肉损伤的反应。我们相信，这次调查的结果将加深我们对 调节肌肉发育和适应的重要机制的知识，也将提供新的 深入了解肌肉对损伤和疾病的反应。

Project summary    The ability of skeletal muscle to grow and respond to injury and disease largely depends on a population of  myogenic stem cells, called satellite cells. In developing or injured muscle, satellite cells are highly-­activated  and proliferative. Some daughter cells then undergo a complex program of differentiation that is necessary to  establish or maintain muscle health and function. Perturbations of mechanisms that regulate satellite cell  proliferation or differentiation can lead to loss of normal muscle function and, in some cases, reduce lifespan.     We have discovered that the protein Klotho regulates satellite cell development in young, healthy muscle. As  we explored the mechanisms through which Klotho affects satellite cells, we learned that Klotho reduces  expression of an enzyme, Jmjd3, that activates genes by removing a silencing mark from lysine 27 on histone  3 (H3K27). In addition, the Klotho-­induced reductions in Jmjd3 are associated with increased H3K27  methylation and reduced expression of Wnt-­related genes that regulate myogenesis. Together, the  observations suggest a novel mechanism through which myogenesis is regulated, involving signaling through a  Klotho/Jmjd3/Wnt-­mediated pathway. Furthermore, the potential biological importance of the pathway is  emphasized by our findings that the targeted deletion of Jmjd3 in satellite cells produced reductions in Wnt  signaling, defects in myogenesis and death in neonatal mice.    The central hypothesis of our proposed investigation is that signaling through the Klotho/Jmjd3/Wnt pathway  plays an important role in myogenesis by regulating satellite cell numbers and differentiation. Furthermore, we  propose that this pathway is conserved throughout life, beginning with the first appearance of satellite cells at  the fetal muscle fiber surface and continuing into adulthood, when satellite cells are activated by injury or  disease.  We propose to test that hypothesis through the following Specific Aims.    Aim 1. Determine the effects of modulating Klotho and Jmjd3 on post-­natal muscle growth and differentiation.   Aim 2. Determine the effects of modulating Klotho and Jmjd3 on muscle regeneration following acute injury.   Aim 3. Determine the function of satellite cell Jmjd3 in late, fetal, muscle development.     The proposed experiments will establish the importance of a novel mechanism that regulates satellite cell  development and response to muscle injury. We believe that the outcomes of this investigation will deepen our  knowledge of vital mechanisms that regulate muscle development and adaptation and will also provide new  insights into the response of muscle to injury and disease.