Стовбурові клітини-мутанти суперечать правилам розвитку

Уявіть, що ви печете пиріг, але у вас закінчилася сіль. Навіть з відсутнім інгредієнтом, тісто все ще виглядає як тісто для тортів, тому ви ставите його в духовку і схрещуєте пальці, очікуючи, що в результаті вийде щось дуже близьке до звичайного торта. Замість цього ви повертаєтеся через годину, щоб знайти повністю приготовлений стейк.

Це звучить як практичний жарт, але така приголомшлива трансформація насправді сталася зі стовбуровими клітинами миші, коли вчені з Інституту Гладстона видалили лише один ген — стовбурові клітини, призначені стати клітинами серця, раптом нагадували попередників клітин мозку. Випадкове спостереження вчених перевертає те, що вони думали, що знали про те, як стовбурові клітини перетворюються на дорослі клітини і зберігають свою ідентичність у міру дозрівання.

«Це справді ставить під сумнів фундаментальні концепції про те, як клітини залишаються курсом, коли вони вступають на свій шлях, щоб стати клітинами серця або мозку», — говорить Бенуа Бруно, доктор філософії, директор Інституту серцево-судинних захворювань Гладстона та старший автор нового дослідження, опублікованого в природа.

Повороту назад немає

Ембріональні стовбурові клітини є плюрипотентними — вони мають здатність диференціюватися або трансформуватися в кожен тип клітин у повністю сформованому організмі дорослої людини. Але потрібно багато кроків, щоб стовбурові клітини дали початок дорослим типам клітин. Наприклад, на своєму шляху до того, щоб стати клітинами серця, ембріональні стовбурові клітини спочатку диференціюються в мезодерму, одну з трьох примітивних тканин, знайдених у найперших ембріонів. Далі по шляху клітини мезодерми розгалужуються, утворюючи кістки, м’язи, кровоносні судини та серцеві клітини.

Загальноприйнято, що як тільки клітина починає диференціюватися за одним із цих шляхів, вона не може повернутися, щоб вибрати іншу долю.

«Практично кожен вчений, який говорить про долю клітин, використовує картину ландшафту Уоддінгтона, який дуже схожий на гірськолижний курорт з різними гірськолижними схилами, що спускаються в круті розділені долини», – каже Бруно, який також є кафедрою Вільяма Х. Молодшого. доктор серцево-судинних досліджень у Гладстон і професор педіатрії в Каліфорнійському університеті в Сан-Франциско (UCSF). «Якщо клітина знаходиться в глибокій долині, вона не зможе перескочити в зовсім іншу долину».

Десять років тому старший дослідник Гладстона Шинья Яманака, доктор медичних наук, доктор філософії, виявив, як перепрограмувати повністю диференційовані дорослі клітини в індуковані плюрипотентні стовбурові клітини. Хоча це не давало клітинам можливості стрибати між долинами, воно діяло як лижний підйомник назад на вершину ландшафту диференціації.

Відтоді інші дослідники виявили, що за допомогою правильних хімічних сигналів деякі клітини можна перетворити на тісно пов’язані типи за допомогою процесу, який називається «пряме перепрограмування» — як ярлик через ліс між сусідніми лижними трасами. Але в жодному з цих випадків клітини не могли спонтанно переходити між різко різними шляхами диференціювання. Зокрема, клітини мезодерми не могли стати попередниками таких віддалених типів, як клітини мозку або клітини кишечника.

Тим не менш, у новому дослідженні Брюно та його колеги показали, що, на їхній подив, попередники серцевих клітин дійсно можуть трансформуватися безпосередньо в попередники клітин мозку — якщо відсутній білок під назвою Брахма.

Дивовижне спостереження

Дослідники вивчали роль білка Брахми в диференціації клітин серця, оскільки в 2019 році вони виявили, що він працює разом з іншими молекулами, пов’язаними з формуванням серця.

У блюді зі стовбуровими клітинами ембріонів миші вони використали підходи до редагування геному CRISPR, щоб вимкнути ген Brm (той, що виробляє білок Брахма). І вони помітили, що клітини більше не диференціюються в звичайні попередники серцевих клітин.

«Після 10 днів диференціювання нормальні клітини ритмічно б’ються; безперечно, це клітини серця», – каже доктор філософії Светансу Хота, перший автор дослідження та науковий співробітник лабораторії Бруно. «Але без Брахми була просто маса інертних клітин. Взагалі без побиття».

Після подальшого аналізу команда Бруно зрозуміла, що причина, по якій клітини не б’ються, полягала в тому, що видалення Брахми не тільки вимкнуло гени, необхідні для клітин серця, але й активували гени, необхідні в клітинах мозку. Клітини-попередники серця тепер були клітинами-попередниками мозку.

Потім дослідники стежили за кожним кроком диференціювання і несподівано виявили, що ці клітини ніколи не поверталися до плюрипотентного стану. Натомість клітини зробили набагато більший стрибок між шляхами стовбурових клітин, ніж коли-небудь спостерігалося раніше.

«Ми побачили, що осередок в одній долині ландшафту Уоддінгтон, за належних умов, може стрибнути в іншу долину, не повертаючись на вершину», — каже Бруно.

Уроки хвороб

У той час як середовище клітин в лабораторній чашці і в цілому ембріоні є досить різним, спостереження дослідників дають уроки про здоров’я клітин і хвороби. Мутації в гені Brm були пов'язані з вродженими вадами серця і синдромами, які включають функцію мозку. Ген також бере участь у ряді видів раку.

«Якщо видалення Брахми може перетворити клітини мезодерми (наприклад, попередники серцевих клітин) в клітини ектодерми (наприклад, попередники клітин мозку) у блюді, то, можливо, мутації в гені Brm дають деяким раковим клітинам здатність масово змінювати свою генетичну програму», — каже Бруно.

Висновки також важливі на рівні базових досліджень, додає він, оскільки вони можуть пролити світло на те, як клітини можуть змінити свій характер в умовах захворювання, таких як серцева недостатність, і для розробки регенеративних методів лікування, наприклад, викликаючи нові клітини серця.

«Наше дослідження також показує, що шляхи диференціації набагато складніші та крихкі, ніж ми думали», – говорить Бруно. «Краще знання шляхів диференціації також може допомогти нам зрозуміти вроджені серцеві та інші вади, які частково виникають через дефектну диференціацію».