Ученые научились видеть судьбу стволовой клетки еще до ее превращения

Новый флуоресцентный сенсор позволяет заглянуть в самые ранние этапы «выбора профессии» стволовых клеток, открывая новые возможности для регенеративной медицины и клеточной терапии.

Самое важное решение клетка принимает задолго до того, как изменится внешне

Когда говорят о стволовых клетках, обычно вспоминают их удивительную способность превращаться практически в любые ткани организма. Но этот процесс начинается гораздо раньше, чем появляются первые заметные признаки будущей специализации.

До сих пор ученые в основном могли оценивать результат уже после того, как клетка начала производить костный матрикс или накапливать жировые капли. Это похоже на ситуацию, когда о профессии человека судят только после того, как он уже надел форму врача или строителя.

Новое исследование показывает, что первые признаки этого выбора возникают значительно раньше — буквально в первые дни перестройки работы генома. Именно этот ранний момент ученым впервые удалось увидеть у живых клеток.

Что именно разработали ученые

Авторы создали генетически закодированный флуоресцентный сенсор K9-MILo — искусственный белок, который распознает одну из ключевых эпигенетических меток, называемую H3K9me3. Эта метка связана с участками ДНК, которые находятся в «выключенном» состоянии и не участвуют в активной работе клетки.

Проще говоря, сенсор работает как светящийся маяк.

Он не показывает сами гены, а позволяет увидеть, какие области генома становятся менее или более доступными в процессе перепрограммирования клетки.

Самое важное — этот белок оказался безопасным для самих стволовых клеток и не мешал их нормальному развитию. Благодаря этому исследователи смогли наблюдать за одними и теми же клетками почти две недели подряд, не разрушая их.

Вот где происходит настоящий момент выбора

Одно из наиболее интересных открытий связано со временем принятия решения.

Используя автоматическую микроскопию и алгоритмы машинного анализа изображений, исследователи отслеживали более 15 тысяч отдельных клеточных ядер на протяжении 13 дней. Каждый снимок анализировался по 98 различным характеристикам, описывающим структуру хроматина — комплекса ДНК и белков внутри ядра.

Оказалось, что уже ко второму дню клетки начинают расходиться по двум совершенно разным эпигенетическим траекториям.

Одна группа постепенно становится будущими костными клетками.

Другая — будущими жировыми.

При этом внешне клетки еще почти не отличаются друг от друга.

Момент осознания: сначала меняется «архитектура» генома, а уже потом — сама клетка

Именно здесь исследование меняет привычное представление о дифференцировке.

Можно было предположить, что сначала клетка начинает производить специфические белки, постепенно приобретает новую форму и лишь затем происходят глубокие изменения в работе генома.

Однако данные показывают противоположную картину.

Сначала перестраивается эпигенетический ландшафт — своеобразная система управления доступностью генов.

И только после этого запускаются процессы, которые делают клетку костной или жировой.

Иначе говоря, решение принимается значительно раньше, чем становятся заметны его последствия.

Почему костные и жировые клетки идут разными путями

Мезенхимальные стволовые клетки постоянно балансируют между двумя вариантами развития.

О они могут стать остеобластами — клетками, формирующими костную ткань.

Или адипоцитами — клетками жировой ткани.

Известно, что эти направления часто конкурируют между собой. Например, при возрастном остеопорозе количество жира в костном мозге увеличивается, а образование новой кости уменьшается.

Новое исследование показало, что уже на самых ранних этапах эпигенетическая перестройка этих двух программ идет по принципиально разным сценариям.

Особенно масштабные изменения происходят именно при формировании жировых клеток, тогда как путь к образованию костной ткани требует менее выраженной перестройки структуры хроматина.

Не все изменения внешнего вида означают изменения в эпигенетике

Исследователи также проверили влияние индометацина — препарата, который способен усиливать накопление жира в процессе дифференцировки.

Результат оказался неожиданным.

Под действием препарата клетки действительно быстрее накапливали липидные капли.

Но глобальная эпигенетическая программа практически не менялась.

Это означает, что усиление внешних проявлений дифференцировки не обязательно сопровождается глубокой перестройкой всей системы регуляции генов.

Другими словами, фенотип клетки и ее эпигенетическое состояние могут изменяться не совсем синхронно.

Почему эта работа важна для клеточной терапии

Сегодня одна из самых сложных задач регенеративной медицины — убедиться, что выращенные для лечения клетки действительно приобрели нужные свойства.

Большинство существующих методов требуют разрушения части клеточного материала для анализа ДНК или белков.

После такого исследования эти клетки уже невозможно использовать для лечения.

Новый подход предлагает принципиально другую стратегию.

Если развитие подобных сенсоров продолжится, специалисты смогут наблюдать за созреванием клеток прямо во время их выращивания, не повреждая культуру.

Это особенно важно при создании клеточных препаратов для восстановления костной ткани, хрящей, сердечной мышцы и других органов.

До клинического применения еще далеко

Несмотря на впечатляющие результаты, речь пока идет исключительно о лабораторной работе с культивируемыми клетками.

Исследование не означает появления метода прогнозирования судьбы стволовых клеток у пациентов или новой технологии лечения заболеваний.

Авторы сами подчеркивают, что сенсор показывает общую перестройку эпигенетического ландшафта, но не позволяет определить активность отдельных генов. Для таких задач по-прежнему необходимы другие молекулярные методы исследования.

Что меняет это исследование

Работа показывает, что выбор будущей специализации клетки начинается намного раньше появления привычных биологических признаков.

Возможность безопасно наблюдать этот процесс в режиме реального времени открывает новое окно в изучении развития тканей, старения организма и создания клеточных технологий следующего поколения.