Метод перепрограммирования стволовых клеток становится проще

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) обладают большим терапевтическим потенциалом. В 2012 г. ученые, продемонстрировавшие, что из клеток кожи можно получить индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), были удостоены Нобелевской премии. Однако разработанный ими метод получения ИПСК малоэффективен и требует большого количества времени, а получаемые стволовые клетки не могут применяться в медицинских целях. Исследования, проведенные в лаборатории доктора Йяквиба Ханны (Yaqub Hanna) из Института Наук Вейцмана (Weizmann Institute of Science, Израиль), могут изменить эту ситуацию. Полученные результаты были недавно опубликованы в журнале Nature.

Йяквиб Ханна и его исследовательская команда обнаружили белок, синтез которого во взрослой клетке мешает ее обращению в стволовое состояние. Результаты их исследования также показали, что блокирование продукции этого белка синхронизирует процесс получения ИПСК и одновременно повышает его эффективность (с 1% на сегодняшний день до 100%). Полученные данные помогут упростить и повысить эффективность получения стволовых клеток для медицинских целей. Они также могут помочь ученым понять процессы, благодаря которым взрослые стволовые клетки возвращаются в свое первоначальное состояние эмбриональной клетки.

ЭСК – это клетки, которые не прошли стадию «специализации», поэтому они могут дать начало любому типу клеток в организме. Именно это делает их такими ценными: ЭСК можно использовать для восстановления поврежденных тканей, лечения пациентов с аутоиммунными заболеваниями и даже для выращивания органов для трансплантации. Использование стволовых клеток, полученных от эмбрионов, затруднено из-за их невысокой доступности и этических споров. Надежда на возможность применения этих клеток в клинической практике появилась в 2006 г., когда исследовательская команда под руководством Шиния Яманака (Shinya Yamanaka) из Киотского Университета (Kyoto University, Япония), показала, что зрелые клетки можно перепрограммировать обратно в стволовое состояние. Клетки, которые получили название «ИПСК», получаются в результате внедрения четырех генов в ДНК клеток. Несмотря на совершенный прорыв в этой научной области, процесс перепрограммирования ассоциирован с большим числом трудностей: он может длиться четыре недели, клетки в культуре не одновременно проходят процесс перепрограммирования, в итоге лишь менее 1% клеток превращаются в стволовые клетки.

Ученые из Института Наук Вейцмана попытались ответить на вопрос, какое главное препятствие или препятствия мешают перепрограммированию большинства клеток в культуре. Ханна использовал математические модели, чтобы доказать, что трудности при перепрограммировании клеток были обусловлены существованием только одного препятствия. Но в биологии, как признает и сам Ханна, любая модель требует экспериментальных доказательств. Результаты исследования не только подтверждают, что сложности при перепрограммировании клеток вызваны существованием только одного препятствия, но и демонстрируют, что его устранение может значительно повысить эффективность перепрограммирования.

Научная группа Ханны совместно с доктором Ноа Новерштерном (Noa Novershtern), Йоачем Раисом (Yoach Rais), Асафом Звиран (Asaf Zviran) и Шайя Геула (Shay Geula) с кафедры молекулярной генетики и сотрудниками подразделения геномики из Центра Структурной Протеомики при Институте Израиля (Institute's Israel Structural Proteomics Center, Израиль) исследовали белок MBD3, функция которого ранее была не известна ученым. Белок MBD3 привлек внимание исследователей, поскольку он экспрессируется в каждой клетке организма на каждой стадии его развития. Это явление наблюдается достаточно редко в организме: большинство типов белков синтезируются в специфических клетках в определенное время с целью выполнения конкретных функций. Исследовательская группа обнаружила, что существует одно исключение из правила универсальной экспрессии этого белка – первые три дня после зачатия. Именно в эти три дня оплодотворенная яйцеклетка начинает делиться, а растущий эмбрион напоминает увеличивающийся в размерах шар, состоящий из плюрипотентных стволовых клеток, которые затем образуют все типы клеток в организме. На четвертый день начинается дифференцировка стволовых клеток, в результате которой они теряют свое свойство плюрипотентности. В это же время впервые начинает синтезироваться белок MBD3.

Результаты этого исследования имеют значимые последствия для процесса получения ИПСК для медицинских целей. Яманака использовал вирусы для внедрения четырех генов, но из-за своей небезопасности для человеческого организма такая методика не применяется при перепрограммировании клеток, которые будут использованы у пациентов. Ученые продемонстрировали, что удаление белка MBD3 из взрослых клеток может в несколько раз повысить эффективность и скорость их перепрограммирования. Время, необходимое для получения стволовых клеток, было сокращено с четырех недель до восьми дней. Кроме того, поскольку при применении нового метода все клетки проходят процесс перепрограммирования с одинаковой скоростью, ученые смогут последовательно изучить этот процесс и раскрыть механизмы его работы. По словам Ханна, успех научной группы основан на исследовании естественных сигнальных путей, задействованных в процессе эмбрионального развития.

По материалам Weizmann Institute of Science

Оригинальная статья:
Yoach Rais, Asaf Zviran, Shay Geula, Ohad Gafni, Elad Chomsky, Sergey Viukov, Abed AlFatah Mansour, Inbal Caspi, Vladislav Krupalnik, Mirie Zerbib, Itay Maza, Nofar Mor, Dror Baran, Leehee Weinberger, Diego A. Jaitin, David Lara-Astiaso, Ronnie Blecher-Gonen, Zohar Shipony, Zohar Mukamel, Tzachi Hagai, Shlomit Gilad, Daniela Amann-Zalcenstein, Amos Tanay, Ido Amit, Noa Novershtern, Jacob H. Hanna. Deterministic direct reprogramming of somatic cells to pluripotency. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12587