Мутантные стволовые клетки бросают вызов правилам развития

Представьте, что вы печете пирог, но у вас закончилась соль. Даже с отсутствующим ингредиентом тесто по-прежнему выглядит как тесто для торта, поэтому вы засовываете его в духовку и скрещиваете пальцы, ожидая, что в итоге получится что-то очень близкое к обычному торту. Вместо этого вы возвращаетесь через час, чтобы найти полностью приготовленный стейк.

Звучит как розыгрыш, но такая шокирующая трансформация — это то, что действительно произошло с чашкой мышиных стволовых клеток, когда ученые из Института Гладстона удалили всего один ген — стволовые клетки, которым суждено было стать клетками сердца, внезапно стали напоминать предшественников клеток мозга. Случайное наблюдение ученых переворачивает с ног на голову их представления о том, как стволовые клетки превращаются во взрослые клетки и сохраняют свою идентичность по мере взросления.

«Это действительно бросает вызов фундаментальным представлениям о том, как клетки остаются на своем пути, когда они встают на путь превращения в клетки сердца или мозга», — говорит Бенуа Брюно, доктор философии, директор Гладстонского института сердечно-сосудистых заболеваний и старший автор нового исследования, опубликованного в Природа.

Обратного пути нет

Эмбриональные стволовые клетки плюрипотентны — они способны дифференцироваться или трансформироваться во все типы клеток в полностью сформировавшемся взрослом организме. Но стволовым клеткам требуется много шагов, чтобы дать начало взрослым типам клеток. Например, на пути превращения в клетки сердца эмбриональные стволовые клетки сначала дифференцируются в мезодерму, одну из трех примитивных тканей, обнаруженных у самых ранних эмбрионов. Далее по пути клетки мезодермы ответвляются, образуя кости, мышцы, кровеносные сосуды и клетки работающего сердца.

Общепризнано, что как только клетка начала дифференцироваться по одному из этих путей, она уже не может выбрать другую судьбу.

«Практически каждый ученый, говорящий о клеточной судьбе, использует картину ландшафта Уоддингтона, который очень похож на горнолыжный курорт с различными лыжными трассами, спускающимися в крутые, разделенные долины», — говорит Брюно, который также является председателем Уильяма Х. Янгера. в области сердечно-сосудистых исследований в Гладстоне и профессором педиатрии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско (UCSF). «Если ячейка находится в глубокой долине, у нее нет возможности перепрыгнуть в совершенно другую долину».

Десять лет назад старший исследователь Gladstone Шинья Яманака, доктор медицинских наук, открыл, как перепрограммировать полностью дифференцированные взрослые клетки в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Хотя это не давало клеткам возможности прыгать между долинами, это действовало как лыжный подъемник обратно на вершину ландшафта дифференциации.

С тех пор другие исследователи обнаружили, что с правильными химическими сигналами некоторые клетки могут быть преобразованы в близкородственные типы с помощью процесса, называемого «прямым перепрограммированием», — подобно сокращению пути через лес между соседними лыжными трассами. Но ни в одном из этих случаев клетки не могли спонтанно перескакивать между совершенно разными путями дифференцировки. В частности, клетки мезодермы не могли стать предшественниками таких отдаленных типов, как клетки головного мозга или клетки кишечника.

Тем не менее, в новом исследовании Брюно и его коллеги показывают, что, к их удивлению, предшественники клеток сердца действительно могут трансформироваться непосредственно в предшественники клеток мозга — если отсутствует белок под названием Brahma.

Удивительное наблюдение

Исследователи изучали роль белка Brahma в дифференцировке клеток сердца, поскольку в 2019 году они обнаружили, что он работает вместе с другими молекулами, связанными с формированием сердца.

В чашке эмбриональных стволовых клеток мыши они использовали подходы редактирования генома CRISPR, чтобы отключить ген Brm (тот, который производит белок Brahma). И они заметили, что клетки больше не дифференцируются в нормальные предшественники клеток сердца.

«После 10 дней дифференцировки нормальные клетки ритмично бьются; они явно являются клетками сердца», — говорит Светансу Хота, доктор философии, первый автор исследования и штатный научный сотрудник лаборатории Бруно. «Но без Брахмы была просто масса инертных клеток. Никакого биения».

После дальнейшего анализа команда Брюно поняла, что причина того, что клетки не бьются, заключалась в том, что удаление Брахмы не только отключило гены, необходимые для клеток сердца, но и активировало гены, необходимые для клеток мозга. Клетки-предшественники сердца теперь были клетками-предшественниками мозга.

Затем исследователи проследили каждый шаг дифференцировки и неожиданно обнаружили, что эти клетки никогда не возвращались в плюрипотентное состояние. Вместо этого клетки совершили гораздо больший скачок между путями стволовых клеток, чем когда-либо прежде.

«Мы увидели, что клетка в одной долине Уоддингтонского ландшафта при правильных условиях может прыгнуть в другую долину без предварительного подъема на вершину», — говорит Брюно.

Уроки болезни

В то время как среда клеток в лабораторной посуде и в целом эмбрионе сильно различается, наблюдения исследователей содержат уроки о здоровье клеток и заболеваниях. Мутации в гене Brm связаны с врожденными пороками сердца и синдромами, затрагивающими функцию мозга. Ген также вовлечен в несколько видов рака.

«Если удаление Brahma может превратить клетки мезодермы (например, предшественники клеток сердца) в клетки эктодермы (например, предшественники клеток мозга) в чашке, то, возможно, мутации в гене Brm — это то, что дает некоторым раковым клеткам возможность значительно изменить свою генетическую программу». говорит Брюно.

Он добавляет, что полученные результаты также важны на уровне фундаментальных исследований, поскольку они могут пролить свет на то, как клетки могут изменить свой характер при заболеваниях, таких как сердечная недостаточность, и для разработки регенеративных методов лечения, например, путем индукции новых клеток сердца.

«Наше исследование также говорит нам о том, что пути дифференциации гораздо более сложные и хрупкие, чем мы думали», — говорит Брюно. «Лучшее знание путей дифференциации также может помочь нам понять врожденные пороки сердца и другие дефекты, которые частично возникают из-за дефектной дифференциации».