Новые функции генов, обнаруженные у данио-рерио, помогут в лечения потери слуха

Фото из открытых источников

Хотя люди могут регулярно обновлять определённые клетки, например, клетки крови и кишечника, большинство других частей тела не могут восстановиться естественным путём. Например, повреждение крошечных сенсорных волосковых клеток во внутреннем ухе часто приводит к необратимой потере слуха, глухоте или проблемам с равновесием. В отличие от этого, животные, такие как рыбы, лягушки и цыплята, легко восстанавливают сенсорные волосковые клетки.

Учёные из Института медицинских исследований Стоуэрса определили, как два разных гена управляют регенерацией сенсорных клеток у данио-рерио. Это открытие улучшает наше понимание механизмов регенерации у данио-рерио и может послужить ориентиром для будущих исследований в области потери слуха и регенеративной медицины у млекопитающих, включая человека.   

«Млекопитающие, такие как мы, не способны регенерировать волосковые клетки внутреннего уха», — заявила соавтор исследования Татьяна Пиотровски. «С возрастом или при длительном воздействии шума мы теряем слух и равновесие».

Новое исследование лаборатории Пиотровски, опубликованное в журнале Nature Communications, направлено на понимание того, как регулируется деление клеток, способствуя регенерации волосковых клеток и поддержанию постоянного запаса стволовых клеток. Под руководством Марка Лаша, группа обнаружила, что два разных гена, регулирующих деление клеток, контролируют рост двух ключевых типов сенсорных опорных клеток у данио-рерио. Это открытие может помочь учёным изучить возможность запуска аналогичных процессов в клетках человека в будущем.

«В процессе нормального функционирования и регенерации тканей клетки должны размножаться, чтобы заменить отмирающие или отторгающиеся клетки. Однако это работает только при наличии существующих клеток, способных делиться, чтобы заменить их», — сказал Пиотровски. «Чтобы понять, как регулируется пролиферация, нам нужно понять, как стволовые клетки и их потомки «узнают», когда делиться и в какой момент дифференцироваться».

Рыбки данио-рерио – отличная система для изучения регенерации. От головы до хвостового плавника у них по прямой линии расположены сенсорные органы, называемые невромастами. Каждый невромаст напоминает луковицу чеснока с «волосковыми клетками», растущими из его верхушки. Невромаст окружён множеством опорных клеток, дающих начало новым волосковым клеткам. Эти сенсорные клетки, помогающие данио-рерио ощущать движение воды, очень похожи на клетки внутреннего уха человека.

Поскольку данио-рерио прозрачны в процессе развития и имеют доступные сенсорные системы органов, учёные могут визуализировать, а также генетически секвенировать и модифицировать каждую клетку невромаста. Это позволяет им исследовать механизмы обновления стволовых клеток, пролиферацию прогениторных клеток — прямых предшественников волосковых клеток — и регенерацию волосковых клеток.

«Мы можем манипулировать генами и проверять, какие из них важны для регенерации», — сказал Пиотровски. «Понимая, как эти клетки регенерируют у данио-рерио, мы надеемся понять, почему подобная регенерация не происходит у млекопитающих, и можно ли стимулировать этот процесс в будущем».

Регенерацию невромастов обеспечивают две ключевые популяции опорных клеток: активные стволовые клетки на краю невромаста и клетки-предшественники вблизи его центра. Эти клетки делятся симметрично, что позволяет невромасту непрерывно производить новые волосковые клетки, не истощая при этом запас стволовых клеток. С помощью метода секвенирования учёные определили, какие гены активны в каждом типе, и обнаружили два различных гена циклина D, присутствующих только в одной из популяций.

Затем исследователи генетически модифицировали каждый ген в популяциях стволовых и прогениторных клеток. Они обнаружили, что разные гены циклина D независимо регулируют деление двух типов клеток.

«Когда мы сделали один из этих генов нефункциональным, только одна популяция перестала делиться», — сказал Пиотровски. «Это открытие показывает, что разные группы клеток внутри органа можно контролировать по отдельности, что может помочь учёным понять рост клеток в других тканях, таких как кишечник или кровь».  

Клетки-предшественники, лишенные специфичного для типа клеток гена циклина D, не делились; однако они формировали волосковые клетки, что приводило к разрыву связи между делением и дифференцировкой. Примечательно, что после модификации гена циклина D, специфичного для стволовых клеток, для работы в клетках-предшественниках деление этих клеток восстанавливалось.

«Эта работа проливает свет на элегантный механизм поддержания стволовых клеток невромастов и одновременной стимуляции регенерации волосковых клеток. Это может помочь нам выяснить, существуют ли подобные процессы или могут ли они быть активированы у млекопитающих», - отметил профессор Дэвид Рэйбл из Вашингтонского университета.

Поскольку гены циклина D также регулируют пролиферацию во многих клетках человека, например, в кишечнике и крови, выводы группы могут иметь значение, выходящее за рамки регенерации волосковых клеток.    

«Результаты исследований регенерации волосковых клеток данио-рерио в конечном итоге могут послужить основой для исследований других органов и тканей, как тех, которые восстанавливаются естественным образом, так и тех, которые этого не делают», — сказал Пиотровски.