Обнаружены ключевые гены плюрипотентности клеток

Ученые выявили новые гены, вовлеченные в процесс трансформации клеток в «стволовое» состояние. Поскольку эти гены экспрессируются на самых ранних этапах процесса, ученые смогут быстрее предсказывать, какие из обработанных клеток успешно станут плюрипотентными, а какие – нет.

Несколько лет назад биологами была обнаружена возможность перепрограммирования обычных клеток организма в плюрипотентные стволовые клетки, способные превращаться в любой клеточный тип. Обычно индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) получают в результате генетической модификации клеток, перепрограммируя их на экспрессию четырех генов, что приводит к возвращению клетки в «стволовое» состояние. Однако подобный подход срабатывает не на всех клетках популяции.

Исследователи из Массачусетского Технологического Института (МТИ) (Massachusetts Institute of Technology) и Института Уайтхеда (Whitehead Institute for Biomedical Research) (США) обнаружили новые генетические маркеры, которые могут сделать процесс трансформации более эффективным, так как позволят ученым предсказывать, какие из обработанных клеток успешно станут плюрипотентными. В статье, опубликованной в журнале Cell, ученые описали новые сочетания факторов перепрограммирования, использующиеся для получения иПСК.

Работа, проводимая под руководством Рудольфа Джениша (Rudolf Jaenisch), профессора биологии Массачусетского Технологического Института и члена Института Уайтхеда, является первой, исследующей генетические изменения, возникающие в каждой отдельной клетке в процессе ее превращения в плюрипотентную. В предыдущих исследованиях рассматривались изменения экспрессии генов в большой популяции клеток, из которых далеко не все были перепрограммированы, что затрудняло обнаружение генов, вовлеченных в процесс.

«Ранее не было возможности выявить то небольшое число клеток, которые экспрессировали маркеры плюрипотентности. Теперь вы на самых ранних этапах можете обнаружить две или три клетки, экспрессирующие важные гены», - рассказывает Дина Фаддах (Dina Faddah), выпускница лаборатории Джениша, одна из главных авторов статьи.

В 2007 г. ученые выяснили, что клетки взрослого человека могут быть перепрограммированы обратно в «стволовое» состояние путем увеличения экспрессии четырех генов – Oct4, Sox2, c-Myc и Klf4. Однако даже в популяции клеток, где все клетки экспрессируют эти гены в большом количестве, лишь 0,1-1% клеток становятся плюрипотентными.

В ходе работы ученые перепрограммировали в «стволовое» состояние эмбриональные фибробласты мыши, после чего измерили в них экспрессию 48 генов, достоверно или предположительно вовлеченных в процесс трансформации. Это позволило сравнить между собой профили экспрессии генов у клеток, уже ставших плюрипотентными, не ставших плюрипотентными, и клеток, которые только частично перепрограммированы.

После завершения процесса перепрограммирования, занявшего от 32 до 94 дней, исследователи оценили экспрессию генов только в тех клетках, которые окончательно стали плюрипотентными.

Исследовательская группа идентифицировала 4 гена, которые «включались» очень рано (примерно на шестой день после «запуска» перепрограммирования), в клетках, окончательно ставших плюрипотентными. Это гены Esrrb, Utf1, Lin28 и Dppa2, которые контролируют транскрипцию других генов, обусловливающих плюрипотенцию.

Исследователи также установили, что некоторые гены, ранее считавшиеся маркерами плюрипотентности, активны лишь в частично перепрограммированных клетках. По словам Йозефа Буганима (Yosef Buganim), соавтора публикации, благодаря недавно обнаруженным маркерам появилась возможность исключить все не перепрограммированные полностью колонии. Это позволит избежать использования частично перепрограммированных клеток в терапии.

Открытие генетических маркеров даст возможность исследователям разработать новую модель межгенного взаимодействия для направления клеток в сторону плюрипотентности. Ранее считалось, что перепрограммирование является случайным процессом, поскольку ученые наблюдали, что даже если все 4 гена в клетке экспрессировались, это не гарантировало превращение клетки в плюрипотентную.

Результаты новых исследований позволяют предположить, что только самая ранняя фаза процесса носит случайный характер. Последующие стадии процесса, начиная с активации гена Sox2, четко детерминированы и запускают процесс трансформации клетки в сторону плюрипотентности.

В течение ранней «случайной» стадии, вероятно, существует несколько путей, способных активировать Sox2.

«Различные клетки активируют Sox2 разными способами, - рассказывает Буганим, - Как только клетка получает специфическую комбинацию, способствующую активации Sox2, она встает на путь перепрограммирования».

С помощью новой модели также были предсказаны шесть сочетаний факторов, способных активировать Sox2. Исследователи проверили эти сочетания в перепрограммированных клетках и обнаружили, что все они в той или иной мере были эффективны.

«Это красивая демонстрация того, как данные экспрессии гена одной клетки могут быть использованы в биоинформатике для предсказания генной иерархии, посредством которой происходит регуляция процессов перепрограммирования», - рассказывает Андрас Наги (Andras Nagy), старший научный сотрудник Исследовательского Института Самуэля Люнефельда (Samuel Lunenfeld Research Institute) в Торонто (Канада), не участвующий в исследовании.

Интересно, что команда ученых из МТИ обнаружила сочетания, которые не включают ни один из изначальных факторов перепрограммирования. В настоящее время исследователи проверяют эти сочетания, чтобы определить, приводят ли они к формированию более здоровых иПСК.

Исследование проведено при финансовой поддержке Национальных Институтов Здоровья (National Institutes of Health) и Центра Онкологии и Физических Наук при Национальном Онкологическом Институте МТИ (NCI Physical Sciences Oncology Center)

Эмбриональные фибробласты мыши, подвергающиеся перепрограммированию. Каждая цветная точка обозначает мРНК, ассоциированную со специфическим геном: Sall4 (красный цвет), Sox2 (зеленый цвет), Fbxo15 (синий цвет). (фото: Dina Faddah)

По материалам Massachusetts Institute of Technology

Оригинальная статья:
Yosef Buganim, Dina A. Faddah, Albert W. Cheng, Elena Itskovich, Styliani Markoulaki, Kibibi Ganz, Sandy L. Klemm, Alexander van Oudenaarden, Rudolf Jaenisch. Single-Cell Expression Analyses during Cellular Reprogramming Reveal an Early Stochastic and a Late Hierarchic Phase. Cell, 2012; 150 (6): 1209 DOI: 10.1016/j.cell.2012.08.023