Новое исследование в корне меняет представление о специализации стволовых клеток

Исследование, проведенное биологами Университета штата Флорида, может коренным образом изменить понимание процесса дифференцировки эмбриональных стволовых клеток в специализированные клетки организма.

Результаты работы, опубликованные в журнале Stem Cell Reports, ставят под сомнение теорию, принятую десятилетия назад, о поведении эмбриональных стволовых клеток при переходе к энтодерме, классу клеток в эмбрионах, который дает начало пищеварительной и дыхательной системам.

Дэвид Гилберт (David M. Gilbert), профессор молекулярной биологии в отделе биологии Университета штата Флорида (Florida State University, FSU), сказал, что исследование коренным образом меняет сложившееся представление о том, как эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) определяют свою дальнейшую судьбу, превращаясь в клетки энтодермы.

«Наша статья бросает вызов сложившемуся представлению о том, что эмбриональные стволовые клетки остаются довольно пластичными и податливыми на самых ранних стадиях клеточной дифференцировки», — сказал Гилберт. «Мы показали, что ЭСК человека за очень короткое время могут необратимо превращаться в энтодермальные линии, например, клетки печени и поджелудочной железы».

Полученные результаты представляют собой новую главу в изучении дифференцировки эмбриональных стволовых клеток, области, которая может стать ключом к разработке учеными и клиницистами улучшенных методов лечения целого ряда заболеваний.

Используя сложный протокол, разработанный ViaCyte, фирмой в Сан-Диего, занимающейся регенеративной медициной, Гилберт и его сотрудники культивировали ЭСК в специальных условиях, подобранных таким образом, чтобы направить их окончательную специализацию в формирование энтодермы. Затем учёные быстро перемещали клетки в раствор с факторами, предназначенными для восстановления их эмбрионального состояния.

Основываясь на предыдущих исследованиях, команда предположила, что стволовым клеткам потребуется провести несколько дней в культуре энтодермы или, по крайней мере, пройти полный цикл деления, чтобы они окончательно выбрали путь развития.

«Фактически, мы обнаружили, что после всего лишь нескольких часов воздействия коктейля энтодермы, в течение которых осуществляется лишь часть цикла деления, клетки могут быть возвращены в популяцию стволовых клеток и продолжать проходить через ту же серию изменений экспрессии генов, что и контрольные клетки, которые остались в культуре энтодермы».

Другими словами, после кратковременного погружения в культуру энтодермы клетки полностью включились в клеточную программу специализации.

«До экспериментов, описанных здесь, не предполагалось, что ранняя дифференцировка линии стволовых клеток будет настолько быстрой и необратимой», — пишут Гилберт и его соавторы в своей статье.

Это была не единственная догма, оспариваемая исследованием команды.

Ученые долгое время полагали, что трехмерная организация хромосом в ядре является одновременно исключительно жесткой и тесно связанной со временем репликации — порядком, в котором фрагменты ДНК копируются перед делением клетки. Считалось, что единственный способ изменить эту архитектуру – «взломать» ядро клетки, когда ее хромосомы доставляются в дочерние клетки. Как оказалось, возможно, эти предположения также ошибочны.

«Мы показали, что что хромосомную архитектуру можно изменить локально и быстро без разрушения целого клеточного ядра — сродни перестройке строительных лесов здания, без его сноса. Это было довольно неожиданно», — сказал Гилберт. «Мы также продемонстрировали, что эти изменения в хромосомной архитектуре происходят динамически и сразу после стимуляции дифференцировки стволовых клеток в энтодермальную линию. Этот вывод показывает, что репликация и архитектура не всегда идут рука об руку, они могут быть «несвязанными», как мы это называем».

Полученные исследователями результаты разграничили архитектуру хромосомы и время репликации. Также они продемонстрировали, что изменение строения ядра может улучшить представления ученых о поведении эмбриональных стволовых клеток. Наряду с открытием, что специализация ЭСК происходит необратимо и быстрее, чем считалось ранее, Гилберт отметил, что результаты поднимают критические вопросы об основной природе стволовых клеток и барьерах для превращения одной клетки в другую.

Используя эти новые полученные сведения, исследователи смогут раскрыть тайны того, как и почему стволовые клетки следуют своим путям развития, и почему некоторые клетки особенно трудно перепрограммировать.

Данная информация могла бы послужить основой для создания новых мощных средств борьбы с болезнями и облегчения страданий людей.