Разбудить спящего гиганта

Использование клеток двух разных биологических видов позволило ученым выделить отдельные события в процессе перепрограммирования человеческой Х-хромосомы и включения некоторых ее генов. На панели слева клетки с человеческим (красное) и мышиным (зеленое) ядрами до слияния ядер. В этот момент активна только одна человеческая Х-хромосома (яркая красная точка). На центральной панели вторая человеческая Х-хромосома перепрограммирована (две яркие красные точки). Наконец ядра этих двух клеток сливаются (правая панель), образуя гибридную клетку с двумя активными Х-хромосомами. (Фото: MRC Clinical Sciences Centre)

Большинство молекулярных биологов занимается поиском способов активации и регуляции активности отдельных генов. Но ученым из MRC Clinical Sciences Centre удалось продвинуться значительно дальше – выяснить, как «разбудить» целый кластер неактивных генов – хромосому, – присутствующий в каждой клетке женского организма.

Такая реактивация происходит при возвращении «обычной» клетки в стволовое состояние. Ученым из CSC удалось идентифицировать самые ранние изменения, возникающие в ходе этого процесса. Понимание того, как именно это происходит, в конечном итоге поможет исследователям управлять этим процессом и получать клетки, пригодные для использования в терапии.

В период раннего развития организма стволовые клетки обладают способностью становиться клетками абсолютно любого из множества типов клеток нашего организма. В ходе своей дифференциации в эти клеточные типы клетка принимает ряд последовательных «решений» до тех пор, пока не выберет для себя одну-единственную роль (например, быть клеткой кожи). Чтобы специализированная клетка снова стала стволовой, ученым нужно уметь заставить ее отменить эти «решения». Цель – возможность получить пул стволовых клеток, дальнейшее развитие которых можно направить в любой клеточный тип, необходимый для замещения травмированной или больной ткани.

Когда судьба клетки определена, в ее ДНК происходят определенные изменения: гены, ненужные для ее роли, можно «вывести из обращения». При обращении вспять данного процесса методом перепрограммирования эти изменения должны быть отменены с тем, чтобы выключенные гены можно было реактивировать. Исследователям из CSC первым удалось идентифицировать самые ранние события при реактивации таких генов-«отставников» на Х-хромосоме. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Communications.

В клетке цепочки ДНК организованы в кластеры, называемые хромосомами. Две специализированные хромосомы – X и Y – несут информацию, определяющую пол. В каждой клетке присутствуют две такие хромосомы. Особи мужского пола имеют одну X- и одну Y-хромосому, в то время как особи женского пола – 2 Х-хромосомы. Женским клеткам нужна только одна X-хромосома: использование обеих означало бы активность лишнего набора генов. Чтобы избежать этого, одна из хромосом – случайным образом – выключается в пользу другой. Ученые из CSC изучали способы реактивации неактивной Х-хромосомы.

Выбранная для «отключения» Х-хромосома помечается определенными молекулами. Одни из этих молекул связываются непосредственно с ДНК, другие – с гистоновыми белками, на которые ДНК «намотана». Эти так называемые эпигенетические метки определяют, включены ли гены, и передаются каждой дочерней клетке.

Эпигенетические модификации ДНК и гистонов. Ме — метильная группа, Ас — ацетильная, Р — остаток фосфорной кислоты, SUMO — Small Ubiquitin-like Modifier (убиквитин-подобный модифицирующий белок). (Рис. biomolecula.ru)

Для перепрограммирования специализированной клетки обратно в стволовую нужно удалить эпигенетические метки. Если какие-то из них останутся, у стволовой клетки сохранится тенденция принимать «решения», которые могут заставить ее стать той клеткой, которой она уже была. Это ограничивает ее способность стать клеткой любого типа и ее потенциальное использование в медицине.

«Мы не знаем точно, как стереть предыдущую память, а это, если мы хотим использовать эти клетки для терапии, крайне важно», - говорит Ирэн Кантон (Irene Cantone), PhD, первый автор статьи.

Группа из CSC разработала методику, которая позволила изучить, что происходит с неактивной Х-хромосомой, когда ее разбудили и активировали. Эта методика включает в себя слияние женской человеческой клетки кожи, содержащей неактивную Х-хромосому, со стволовой клеткой из эмбриона мыши.

Слияние этих клеток перепрограммирует клетку кожи в стволовую. Это происходит потому, что стволовая клетка мыши, в отличие от клетки кожи человека, содержит все биологические факторы, необходимые для перепрограммирования специализированной клетки. Эти факторы внедряются в центр управления – ядро – человеческой клетки и начинают регулировать эпигенетические метки, позволяя подавленным ранее генам снова начать работать. Исследователи построили график этих эпигенетических изменений.

«Теперь я лучше представляю себе, что необходимо для реактивации этих генов», - комментирует результаты экспериментов доктор Кантон.

Критическим моментом является слияние двух ядер. Наблюдая за изменениями, происходящими до и после этого события, ученые могут со временем понять, какие клеточные механизмы играют роль в перепрограммировании клетки и реактивации спящей Х-хромосомы.

Доктор Кантон и ее коллеги показали, что до слияния ядер ключевую роль играют две молекулы - XIST (X-inactive specific transcript) и H3K27me3. Обычная роль этих молекул в клетке кожи – помогать в репрессировании неактивной Х-хромосомы. Связываясь с ДНК, они блокируют доступ клеточной машинерии к определенным генам и таким образом инактивируют их. Как оказалось, в начале перепрограммирования клетки кожи, до включения генов, эти метки теряются или удаляются с ее Х-хромосомы.

«Как мы выяснили, реактивируются только некоторые гены, многие остаются неактивными. Теперь нам нужно узнать, что лежит в основе этого различия. Почему одни чувствительны, а другие нет?», - говорит профессор Аманда Фишер (Amanda Fisher), руководитель исследования.

Если ученые поймут, как обратить вспять протекающий в клетках биологический процесс сайленсинга генов, они смогут получать стволовые клетки, пригодные для замены травмированной или больной ткани.

Полученные данные важны для понимания и терапии таких связанных с Х-хромосомой заболеваний, как мышечная дистрофия Дюшенна, красно-зеленая цветовая слепота (дальтонизм) и синдром Ретта.

«Если мы сможем понять, как реактивировать определенные гены неактивной хромосомы в определенных клетках, лечение станет более эффективным», - считает доктор Кантон.

По материалам

Reawakening a sleeping giant

Оригинальная статья:

Irene Cantone, Hakan Bagci, Dirk Dormann, Gopuraja Dharmalingam, Tatyana Nesterova, Neil Brockdorff, Claire Rougeulle, Celine Vallot, Edith Heard, Ronan Chaligne, Matthias Merkenschlager, Amanda G. Fisher. Ordered chromatin changes and human X chromosome reactivation by cell fusion-mediated pluripotent reprogramming

© «Разбудить спящего гиганта». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на страницу Стволовые клетки. Письменное разрешение обязательно.