Раскрыт механизм регуляции метаболизма плюрипотентных стволовых клеток человека

Молекула аденозинтрифостафа (АТФ) является универсальным источником энергии в любой живой клетке. Она может синтезироваться двумя разными способами: путем субстратного фосфорилирования в цитоплазме клетки (например, при гликолизе) или в процессе окислительного фосфорилирования, связанного с использованием энергии трансмембранного электрохимического потенциала. Ученые из Калифорнийского Университета выяснили, что метаболизм плюрипотентных столовых клеток (ПСК) человека, способных превращаться в клетку любого типа человеческого организма, зависит от ферментативного процесса последовательного расщепления молекулы глюкозы в клетке – гликолиза, в то время как известно, что в зрелых клетках организма молекулы АТФ синтезируется главным образом путем окислительного фосфорилирования, протекающего в митохондриях. Во время этого процесса молекулы глюкозы и кислорода превращаются в молекулы углекислого газа и воды, что сопровождается образованием большого количества энергии. Ученые не знают, как именно клетки во время дифференцировки переходят от одной формы получения энергии к другой, однако результаты их нового исследования содержат новые сведения об эволюции процесса энергетического синтеза в клетках, способные повлиять на применение ПСК человека в клинической практике.

Основным местом синтеза молекул АТФ в большинстве эукариотических клеток являются двумембранные органеллы митохондрии, содержащие на своей внутренней мембране электронно-транспортную цепь белков. При изучении ПСК человека было установлено, что эти клетки содержат «неразвитые» митохондрии. Основываясь на внешнем виде этих органелл в стволовых клетках, большинство ученых предполагало, что они не способны «дышать», то есть превращать молекулы глюкозы и кислорода в углекислый газ и воду с образованием молекулы АТФ. Считалось, что при постепенном превращении ПСК в дифференцированные клетки организма происходит созревание митохондрий, и у них появляется способность «дышать».

Однако ученые из Калифорнийского Университета получили неожиданные результаты. Оказалось, что митохондрии ПСК, равно как и митохондрии дифференцированных клеток организма, способны к «дыханию», но при этом они синтезируют очень небольшое количество энергии. Результаты нового исследования опровергли предположение о том, что митохондрии созревают по мере клеточной дифференцировки, и позволили выявить механизм, предоставляющий возможность стволовым клеткам перейти от процесса ферментативного расщепления глюкозы к кислород-зависимому дыханию и полностью достичь потенциала клеточной дифференцировки.

«Большое количество научных работ посвящено изучению особенностей метаболизма в ПСК. Результаты наших исследований содержат важную информацию о получении дифференцированных клеточных линий высокого качества, которые в дальнейшем могут быть использованы как в научных целях, так и в клинической практике, - говорит руководитель исследования профессор Майкл Тейтелл (Michael Teitell) из научно-исследовательского центра Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research при Калифорнийском Университете в Лос-Анджелесе, - Целью нашего исследования было сравнить молекулярные особенности метаболизма в ПСК и раковых клетках, функционирование которых также зависит от гликолиза. Для решения поставленной задачи мы детально изучили процесс синтеза энергии митохондриями в ПСК».

Основываясь на результатах предыдущих исследований, продемонстрировавших, что в ПСК содержится лишь небольшое количество несформированных митохондрий, ученые ожидали, что эти клетки не способны к «дыханию». Однако результаты исследования показали, что электронная транспортная сеть митохондрий (молекулярные комплексы, обеспечивающие «дыхание») в ПСК на самом деле работает. Несмотря на это, ПСК получают энергию путем гликолиза. Основываясь на новых данных, ученые предположили, что в стволовых клетках существует как минимум один неизвестный ученым белок, регулирующий способ получения энергии клеткой и препятствующий процессу «дыхания» в стволовых клетках.

Один из участников исследования Джин Занг (Jin Zhang) установил, что в стволовых клетках повышена экспрессия белка под названием разобщающий белок 2 (uncoupling protein 2, UCP2). Белок UCP2 блокирует поступление дыхательных субстратов, получаемых из глюкозы, в митохондрии и направляет их в цитоплазму клетки, где они участвуют в гликолитическом и биосинтетическом путях получения энергии. Таким образом, белок UCP2 препятствует синтезу молекул АТФ в клетках путем мембранного фосфорилирования.

Ученые выяснили, что по мере того как ПСК превращались в зрелые клетки различных типов, экспрессия белка UCP2 в них снижалась, что позволяло дыхательным субстратам поступать в митохондрии. Таким образом, способ получения энергии клеткой менялся с гликолиза на окислительное фосфорилирование. Изменение характера экспрессии белка UCP2, например, сохранение его активности в дифференцированных клетках, нарушало процесс клеточного созревания. Следовательно, стволовые клетки с нарушением экспрессии белка UCP2 не могут быть использованы в клинической практике. Это подчеркивает важность правильной метаболической активности стволовых клеток как критерия их безопасности в случае применения на людях.

Тейтелл и его команда подтвердили полученные данные на эмбриональных стволовых клетках (ЭСК) человека и индуцированных плюрипотентных стволовых клетках (иПСК), представляющих собой генетически перепрограммированные зрелые клетки организма, обладающие аналогичными характеристиками и способностями, что и ЭСК.

«Главный вопрос, возникший во время исследования, состоит в том, что первично: вызвана ли дифференцировка стволовой клетки изменением ее метаболизма или наоборот, - говорит Тейтелл, - Повысив экспрессию белка UCP2 в стволовых клетках, мы выяснили, что особенности обмена веществ меняются до изменения маркеров плюрипотентности или созревания клеток. Это указывает на то, что изменения метаболизма влияют на дифференцировку клеток. Данное утверждение справедливо для белка UCP2. Было важно установить причину метаболических изменений в процессе клеточной дифференцировки. Тем не менее, ключевой вопрос о том, каким образом, воздействуя на клеточный метаболизм, можно контролировать дифференцировку клеток, остается открытым. Над его решением мы активно работаем».

По словам Тейтелла, поскольку метаболизм в ПСК протекает аналогично метаболизму в раковых клетках, белок UCP2 может быть использован в качестве мишени для новых лекарственных препаратов, которые будут разработаны для лечения пациентов с различными опухолями, экспрессирующими этот белок. «Выключение» белка UCP2 заставит раковые клетки «дышать», что ослабит их способность к быстрому росту.

По материалам University of California - Los Angeles Health Sciences

Оригинальная статья:
Jin Zhang, Ivan Khvorostov, Jason S Hong, Yavuz Oktay, Laurent Vergnes, Esther Nuebel, Paulin N Wahjudi, Kiyoko Setoguchi, Geng Wang, Anna Do, Hea-Jin Jung, J Michael McCaffery, Irwin J Kurland, Karen Reue, Wai-Nang P Lee, Carla M Koehler, Michael A Teitell. UCP2 regulates energy metabolism and differentiation potential of human pluripotent stem cells. The EMBO Journal, 2011; DOI: 10.1038/emboj.2011.401