Ученые из МФТИ показали сходство репрограммированных и эмбриональных стволовых клеток

В научной работе, выполненной сотрудниками Института общей генетики, Федерального научного центра физико-химической медицины(ФНКЦ ФХМ), при участии сотрудников  МФТИ, было доказано,  что стволовые клетки,  полученные из обычных клеток организма, отличаются от “эталонных” стволовых вовсе не в результате процесса репрограммирования. Результаты исследования опубликованы журналом Cell Cycle.

Стволовые клетки  -  это клетки, которые могут неограниченно делиться.Они имеют чёткую специализацию, но также могут превращаться в клетки других типов.  Именно стволовые клетки обеспечивают восстановление тканей и органов, именно из них берутся новые клетки взамен утраченных (рис.1). Медики и учёные выделяют несколько типов стволовых клеток в зависимости от их универсальности. Те клетки,  которые могут превратиться в любую иную клетку, называются плюрипотентными. Во взрослом организме плюрипотентных стволовых клеток нет, это состояние характерно только для клеток первых дней эмбрионального развития.

Рис 1. Особенности плюрипотентных стволовых клеток. Источник: пресс-служба МФТИ

Плюрипотентные клетки можно получить двумя способами. Первый — это взять их из ранних эмбрионов человека, невостребованных  для процедуры ЭКО (экстракорпорального оплодотворения), поскольку тело эмбриона формируется из этих клеток. Этот способ имеет очевидные ограничения как этического, так и технического характера, поэтому исследователи с самого начала искали ему альтернативу: ей стало репрограммирование обычных клеток в стволовые.

Репрограммирование - это серия операций, которая призвана “включить” те гены, что активны в стволовой клетке и “выключить” те, которые обеспечивают клеточную специализацию. Осуществляется репрограммирование методом внесения в клетку генов четырех  белков, которые  в норме очень важны при раннем эмбриональном развитии. За определение  набора  этих генов и  генетическое репрограммирование японский исследователь Шинья Яманака получил в 2012 году Нобелевскую премию по медицине (рис 2).

Рис.2 Получение ИПСК (индуцированных плюрипотентных стволовых клеток )

Уникальные способности стволовых клеток к длительной пролиферации (размножению клеток) и к дифференцировке (превращению в другие виды клеток) делают их перспективным инструментом для клеточной терапии. Из стволовых клеток уже удавалось пересаживать пациентам клетки пигментного эпителия сетчатки глаза,  и клетки спинного мозга, а в опытах на мышах стволовые клетки продемонстрировали способность восстанавливать утраченные зубы. Теоретически, стволовые клетки могут восстановить практически любой орган, поэтому неудивительно, что это направление активно развивают по всему миру. Понятен и интерес к репрограммированным, или, как ещё их называют, индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (ИПСК) - они не только избавляют от необходимости использовать эмбрионы, их можно получать непосредственно из клеток самих пациентов.

Проблема современной медицины стволовых клеток заключается в том, что степень схожести между репрограммированными стволовыми клетками и "золотым стандартом" плюрипотентности, то есть эмбриональными стволовыми клетками, до сих пор не ясна. Предыдущие исследования показали, что между ними есть серьезные различия - однако эти опыты были проведены на ограниченном количестве клеток различного происхождения.

Исследователи решили сравнить между собой эмбриональные стволовые клетки, три разных типа полученных из них обычных клеток и три типа стволовых клеток, которые получились из тех клеток, что образовались из обычных путём перепрограммирования. Все эти клетки были изогенными  - то есть содержали один и тот же набор генов.

Транскрипция - процесс синтеза продукта (РНК), кодируемого фрагментом ДНК, то есть геном. Метилирование - химическая реакция с присоединением к какой-либо молекуле метильной группы, CH3. Эпителий - слой клеток, формирующий поверхность органа. Вся информация о том, как синтезировать белки, хранится в ДНК клетки.

Сравнение включало в себя анализ транскриптома, то есть перечисление всех закодированных в ДНК клетки и при этом активно синтезируемых продуктов. Кроме того, авторы новой публикации выявили то, какие участки ДНК метилированы: метилирование играет ключевую роль в задании “профессии” клетки. Детальное изучение изменений в тонком механизме регуляции активности генов привело исследователей как к выводу о сходстве эмбриональных клеток с репрограммированными, так и к перечню из 275 ключевых генов, активность которых позволяет корректно представить результаты репрограммирования.

Нейроны, фибробласты (клетки соединительной ткани) и клетки эпителия сетчатки глаза -- те три типа зрелых клеток, что анализировались учёными -- все имеют одинаковый набор генов, но химическая модификация ДНК вкупе с ещё некоторыми изменениями позволяет активно использовать лишь ту часть, которая нужна для производства узкоспециализированных белков вроде синаптических рецепторов или ответственного за построение “каркаса” хрящевой ткани коллагена.

На основе этих сравнений учёными был сделан вывод, что сам по себе процесс репрограммирования и тип родительских клеток не оставиил каких-либо конкретных следов. Наблюдавшиеся различия между разными клетками исследователи связали с воздействием случайных факторов.

"В ходе исследования мы сформулировали концепцию наилучшей линии индуцированных плюрипотентных клеток: при наличии пяти клонов таких клеток можно с 95% вероятностью отобрать фактически неотличимый от «золотого стандарта»" - говорит Дмитрий Ищенко, аспирант МФТИ и научный сотрудник ФНКЦ ФХМ.

Под словом “клон” подразумеваются клетки, получившиеся при делении какой-то одной. Если сначала взять эмбриональную стволовую клетку, потом дать ей превратиться в пять разных специализированных, потом эти специализированные репрограммировать в стволовые и получить пять разных наборов (линий) клеток - в этом случае с вероятностью 95% хотя бы одна линия окажется такой же, как исходные эмбриональные клетки.

На практике, конечно, никто не станет при наличии эмбриональных стволовых клеток превращать их сначала в нейроны или фибробласты, а затем снова перепрограммировать - это долго и дорого. Но такой опыт смоделировал ситуацию, когда клетки пациентов (они ведь когда-то получились именно из эмбриональных!)  репрограммируют в индуцированные плюрипотентные для дальнейшего применения в медицинских целях. Новое исследование, хотя и не открывает немедленной возможности выращивать органы в пробирке, является важным шагом в этом направлении. Кроме регенеративной медицины, понимание сходства и различия эмбриональных/индуцированных стволовых клеток важно и с теоретической точки зрения. Знания механизмов регуляции клеточного роста вкупе с тонкой настройкой клеточной специализации важны и для изучения  развития организма, и, возможно,  для исследования превращения обычных клеток в раковые.