Один ген мешал клеткам поджелудочной вырабатывать инсулин. Учёные сняли «тормоз»

Отключение ALDH3B2 заставило клетки протоков менять специализацию и превращаться в инсулинпродуцирующие β-подобные клетки

При диабете проблема не только в инсулине, но и в клетках, которые его производят

Инсулин часто воспринимают прежде всего как лекарство или гормон, которого «не хватает» при диабете. Но за этим стоит более фундаментальная проблема — состояние β-клеток поджелудочной железы.

При диабете 1 типа иммунная система разрушает β-клетки, поэтому организм постепенно теряет способность самостоятельно производить достаточное количество инсулина. При диабете 2 типа механизм сложнее: важны инсулинорезистентность, метаболические нарушения и постепенная дисфункция β-клеток. По мере прогрессирования заболевания их способность компенсировать растущую потребность организма в инсулине может снижаться.

Отсюда одна из больших целей современной диабетологии: не только давать организму инсулин извне, но и восстановить достаточную массу работающих β-клеток.

Проблема в том, что у взрослого человека эти клетки размножаются не особенно активно.

Поэтому исследователи задают другой вопрос: обязательно ли создавать новые β-клетки из старых β-клеток?

Или можно заставить какую-нибудь другую клетку поджелудочной железы сменить профессию?

Учёные решили искать не «ускоритель», а тормоз

Команда исследователей обратила внимание на клетки протоков поджелудочной железы. В норме они выполняют совершенно другую работу и не являются основными производителями инсулина.

Однако клеточная идентичность не всегда абсолютно неизменна. При определённых условиях клетка одного типа может приобрести характеристики другого. Такой процесс называют трансдифференцировкой.

В естественных условиях переход клеток протоков поджелудочной железы к инсулинпродуцирующему состоянию происходит крайне редко. Поэтому исследователи решили выяснить, какие гены могут мешать этому превращению.

Для этого использовали полногеномный CRISPR-скрининг.

CRISPR здесь был не способом сразу создать будущую терапию. Это был инструмент поиска: учёные последовательно нарушали работу генов и наблюдали, какое изменение позволит клеткам активировать программу β-клетки.

В общей сложности проверили более 19 000 генов.

Среди них выделился ALDH3B2.

ALDH3B2 оказался частью системы, удерживающей клетку в прежнем состоянии

ALDH3B2 кодирует фермент из семейства альдегиддегидрогеназ. Но в этом исследовании важнее оказалось другое: потеря его функции резко меняла поведение клеток.

После отключения ALDH3B2 клетки протоков начинали активировать гены, характерные для β-клеток. Среди них были регуляторы клеточной специализации и гены, необходимые для производства и секреции инсулина.

Одновременно менялась активность части генов, характерных для исходной протоковой клетки.

Иными словами, исследователи наблюдали не просто появление инсулина там, где его раньше не было. Менялась сама клеточная программа.

Именно поэтому авторы говорят о трансдифференцировке — смене клеточной идентичности.

В человеческих клетках эффективность превращения достигала примерно 8,5%, тогда как спонтанно подобный переход наблюдается менее чем у 1% клеток.

Это всё ещё далеко не превращение всей ткани в β-клетки. Но для процесса, который в норме происходит исключительно редко, изменение оказалось заметным.

Самое интересное происходило внутри ДНК

Здесь исследование становится особенно любопытным.

Чтобы клетка протока стала похожа на β-клетку, недостаточно просто включить один ген инсулина. Необходимо изменить доступность целой генетической программы.

Один из механизмов, с помощью которых клетка управляет активностью генов, — метилирование ДНК. К определённым участкам ДНК присоединяются химические метки, способные влиять на то, насколько легко клетка может «прочитать» соответствующий ген.

После потери функции ALDH3B2 исследователи обнаружили уменьшение метилирования в области гена инсулина.

Проще говоря, участок генома, который в клетке протока обычно находится в менее доступном состоянии, становился более открытым для работы.

И вот здесь появляется ключевой момент исследования.

Отключение ALDH3B2 не просто заставляло клетку временно выделять немного инсулина. Оно запускало более глубокую перестройку её идентичности.

Клетка не превращалась в β-клетку одним прыжком

Анализ отдельных клеток позволил исследователям проследить предполагаемую траекторию превращения.

Она оказалась сложнее схемы «клетка протока → β-клетка».

После потери функции ALDH3B2 клетки, по-видимому, сначала переходили в более пластичное состояние, напоминающее незрелые клетки-предшественники поджелудочной железы. Уже из этого промежуточного состояния часть из них двигалась дальше к β-подобному фенотипу.

Это важная деталь.

Получается, ALDH3B2 может быть не просто выключателем производства инсулина. Его активность может быть частью системы, которая помогает клетке сохранять уже приобретённую специализацию.

Если убрать этот барьер, клетка получает возможность изменить свою программу развития.

Новые клетки действительно производили инсулин

Одного присутствия «правильных» генов недостаточно, чтобы назвать клетку функциональной β-клеткой.

Поэтому исследователи проверили, появляется ли у перепрограммированных клеток главное практическое свойство — способность выделять инсулин в ответ на глюкозу.

Такая реакция была обнаружена.

В клетках появились зрелые гранулы инсулина — внутриклеточные структуры, в которых β-клетки хранят гормон перед его выделением.

Однако в лабораторных условиях количество выделяемого инсулина оставалось значительно ниже, чем у нормальных человеческих островков поджелудочной железы. Реакция на повышение концентрации глюкозы также была относительно слабой.

Это важное ограничение: получившиеся клетки правильнее называть β-подобными, а не полноценной заменой естественных β-клеток.

Следующий эксперимент, однако, показал, что их функция не ограничивалась лабораторной чашкой.

Пересаженные клетки снизили сахар у мышей с диабетом

Человеческие клетки протоков с отключённым ALDH3B2 пересадили иммунодефицитным мышам, у которых диабет предварительно вызвали стрептозотоцином — веществом, повреждающим β-клетки.

После трансплантации уровень глюкозы у животных снизился по сравнению с контрольной группой.

Более того, после введения глюкозы в крови мышей обнаруживали повышение уровня именно человеческого инсулина. Значит, пересаженные человеческие клетки не просто содержали инсулин — они могли выделять его в ответ на изменение уровня глюкозы.

Особенно показателен ещё один экспериментальный шаг.

Когда трансплантат удалили, уровень сахара снова повысился.

Это позволило связать наблюдавшееся снижение глюкозы именно с работой пересаженных клеток.

При этом считать диабет у животных «вылеченным» было бы преждевременно. Авторы отмечают, что в их экспериментах перепрограммированные клетки не обеспечивали полноценного восстановления нормальной регуляции глюкозы, сравнимой с работой естественных β-клеток.

Возможно, CRISPR для будущей терапии вообще не понадобится

Есть ещё один интересный поворот.

ALDH3B2 — это фермент. А активность ферментов потенциально можно изменять не только редактированием генов, но и лекарственными молекулами.

Исследователи проверили широкий ингибитор альдегиддегидрогеназ DEAB. Воздействие на человеческие клетки протоков также способствовало появлению β-подобных клеток.

Это ещё не означает, что найдено лекарство от диабета. DEAB действует не исключительно на ALDH3B2, а сам эксперимент не доказывает, что подобный препарат будет эффективен и безопасен у человека.

Но он меняет направление дальнейшего поиска.

Если удастся создать достаточно селективный ингибитор ALDH3B2 и доказать, что его можно безопасно доставить к нужным клеткам поджелудочной железы, теоретически клеточное перепрограммирование можно было бы запускать фармакологически, без непосредственного редактирования генома пациента.

Именно это превращает ALDH3B2 из интересного биологического открытия в потенциальную лекарственную мишень.

Почему до таблетки от диабета здесь ещё очень далеко

Самая опасная интерпретация этой работы звучала бы так: «учёные научились превращать клетки поджелудочной в β-клетки и смогут восстановить выработку инсулина».

Исследование пока этого не доказывает.

Эксперименты проводились на клетках и на иммунодефицитных мышах. Только часть обработанных человеческих клеток приобретала β-подобные свойства. Полученные клетки оставались менее зрелыми и выделяли значительно меньше инсулина, чем нормальные человеческие островковые клетки.

Неизвестно и то, насколько безопасно будет вмешиваться в механизмы, поддерживающие клеточную идентичность непосредственно внутри человеческой поджелудочной железы.

Есть отдельная фундаментальная проблема диабета 1 типа. Даже если организм научится создавать новые β-подобные клетки, остаётся аутоиммунный процесс, который уничтожил исходные β-клетки. Новые клетки потенциально тоже потребуется защищать от иммунной атаки.

При диабете 2 типа задача другая: восстановление β-клеточной массы само по себе не устраняет инсулинорезистентность и другие метаболические нарушения заболевания.

Поэтому ALDH3B2 пока нельзя рассматривать как готовую универсальную мишень для лечения всех форм диабета.

Главное открытие — возможно, резерв β-клеток находится уже внутри поджелудочной

На протяжении многих лет одна из центральных идей регенеративной терапии диабета заключалась в том, чтобы получить новые β-клетки: от доноров, из стволовых клеток или посредством размножения существующих клеток.

Новое исследование предлагает дополнительную возможность.

Возможно, часть необходимого клеточного материала уже находится в поджелудочной железе — просто эти клетки заняты другой работой и молекулярные механизмы удерживают их в этой роли.

Тогда задача терапии меняется.

Не обязательно создавать β-клетку с нуля. Возможно, в некоторых случаях достаточно будет понять, какие биологические «замки» не позволяют другой клетке сменить специализацию, и научиться безопасно открывать их.

ALDH3B2 оказался одним из таких кандидатов.