Белок, производимый пчёлами, сохраняет плюрипотентность стволовых клеток у мышей

Активный белковый компонент маточного молочка помогает пчелам вырастить новых маток. Учёные из Стэнфорда открыли у млекопитающих аналогичный белок, способный сохранить плюрипотентность культуры эмбриональных стволовых клеток.

По словам исследователей из Медицинской школы Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine), обнаруженный у млекопитающих белок, функционирует как своего рода фонтан молодости для эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) мыши. По своей структуре он похож на активный компонент маточного молочка – специального корма, с помощью которого рабочие пчёлы выращивают королеву улья. Результаты исследования опубликованы 4 декабря 2018 года в Nature Communications.

Неожиданное открытие, вероятно, раздует пламя тысячелетних дебатов о регенеративной силе маточкиного молочка. Что более важно, открытие предлагает новые способы поддержания стволовых клеток в состоянии плюрипотентности до тех пор, пока они не понадобятся для будущих методов лечения.

«В народном фольклоре маточкино молочко выступает в роли своего рода супер-лекарства, особенно в Азии и Европе», — говорит доцент дерматологии, д.м.н. Кевин Ван (Kevin Wang). «Однако последовательность ДНК роялактина, активного компонента молочка, характерна для пчёл. Мы определили структурно схожий белок у млекопитающих, который может поддерживать плюрипотентность стволовых клеток».

Компонент иерархии улья

Маточное молочко является важнейшим компонентом в строгой иерархической структуре пчелиного улья. В обычных условиях королева-матка откладывает оплодотворённые яйца, из которых появляются рабочие пчёлы-самки. Они трудятся, собирая пыльцу и нектар, строят соты, откладывают неоплодотворённые яйца и ухаживают за личинками.

Новая королева необходима, когда старая умирает или улей становится слишком большим и требуется его разделение на две части. В таком случае рабочие пчёлы выбирают несколько личинок женского пола, которых кормят весь период развития исключительно маточным молочком — вязким, слабокислым веществом, состоящим из воды, белков и сахаров.

Все личинки питаются маточным молочком в течение первых нескольких дней после вылупления, но личинки рабочих особей быстро переключаются на комбинацию из маточного молочка, меда и смеси пыльцы, известной как «пчелиный хлеб» (или перга).

До сих пор неясно, как именно маточкино молочко стимулирует формирование большой и плодовитой королевы, а не простой рабочей пчелы. Однако люди считают, что то, что хорошо для развития пчелиной королевы, будет хорошо и для них.

Хотя считается, что маточкино молочко оказывает влияние на уровень холестерина, кровяное давление, нервную систему и гормональную активность, оно не было одобрено Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (Food and Drug Administration, FDA) для медицинского применения.

«Как это происходит?»

Ван задавался вопросом, как диета из маточного молочка может привести к таким огромным различиям между королевами-пчелами и гораздо меньшими по размеру рабочими особями. В конце концов, обе касты насекомых имеют одинаковый геном.

«Меня всегда интересовал контроль размера клеток, — сказал Ван, — и пчела — потрясающая модель для изучения этого. Все личинки появляются на свет одинаковыми, но со временем разительно отличаются размерами. Как это происходит?»

Группа Вана сфокусировала внимание на белке роялактине, который ранее считался активным ингредиентом маточного молочка. Они применили роялактин к эмбриональным стволовым клеткам мыши, чтобы изучить реакцию клеток.

«Чтобы маточное молочко влияло на развитие матки, оно должно воздействовать на ранние клетки-предшественники личинок пчелы», — сказал Ван. «Поэтому мы решили посмотреть, как оно повлияет на эмбриональные стволовые клетки».

ЭСК обладают мощным потенциалом, однако они нестабильны. При культивировании в лаборатории они часто стремятся дифференцироваться в специализированные клетки, утрачивая свойства стволовых. Исследователи разработали способы для поддержания линий клеток, добавляя в питательную среду соединения, ингибирующие дифференцировку.

К своему удивлению, Ван с коллегами обнаружил, что добавление роялактина останавливало дифференцировку эмбриональных стволовых клеток даже в отсутствие ингибиторов.

«Это было неожиданно», — сказал Ван. «Обычно эмбриональные стволовые клетки выращиваются в присутствии ингибитора, называемого лейкемия ингибирующий фактор (англ. — leukemia inhibitor factor, LIF), который мешает им неправильно дифференцироваться в культуре, но мы обнаружили, что роялактин блокирует дифференцировку даже в отсутствие LIF».

Исследователи обнаружили, что культивируемые без LIF клетки благополучно размножались до 20 поколений, не теряя при этом своей стволовости.

Дополнительные эксперименты показали, что обработанные роялактином стволовые клетки демонстрировали профили экспрессии генов, аналогичные стволовым клеткам, выращенным в присутствии ингибиторов, продуцируя белки, о которых известно, что они связаны с плюрипотентностью, в то же время, снижая выработку белков, важных для дифференцировки.

И все же реакция клеток сбивала с толку, поскольку млекопитающие не вырабатывают роялактин.

Для получения ответов исследователи обратились к базе данных трехмерной структуры белков. Подобно замку и ключу, многие белки взаимодействуют, точно соединяясь с другими белками или биологическими молекулами. Ученые задавались вопросом, может ли быть подобный белок у млекопитающих, имитирующий форму, но не последовательность, роялактина.

Ван обнаружил белок млекопитающих под названием NHLRC3, который, как и предполагалось, формировал структуру, подобную роялактину, и который вырабатывался на ранней стадии эмбрионального развития у всех животных, от угрей до людей.

Кроме того, они обнаружили, что NHLRC3, подобно роялактину, был способен поддерживать плюрипотентность в эмбриональных клетках мыши, и что он вызывал в них аналогичную картину экспрессии генов, как и в тех клетках, которые подвергались воздействию роялактина. Исследователи переименовали белок в Regina, что в переводе с латыни означает «королева».

Далее исследователи планируют выяснить, имеет ли Regina какую-либо терапевтическую ценность в заживлении ран или регенерации клеток у взрослых животных. Они также надеются, что их открытие поможет исследователям найти более эффективные способы сохранения плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток при выращивании в лаборатории.