Один ген удерживал клетки поджелудочной от производства инсулина

Учёные сняли молекулярный «тормоз» и превратили клетки протоков человека в β-подобные клетки

Клетки взрослого организма принято представлять как специалистов, которые давно выбрали профессию. Клетка протока поджелудочной железы строит и обслуживает систему каналов. β-клетка живёт в островках поджелудочной и выделяет инсулин.

Но оказалось, что эта специализация может быть менее окончательной, чем кажется.

Команда под руководством Пэна И из Joslin Diabetes Center и Harvard Medical School провела геномный CRISPR-скрининг и обнаружила необычный молекулярный переключатель. Когда исследователи нарушили работу гена ALDH3B2, человеческие клетки протоков начали превращаться в клетки, напоминающие β-клетки.

Они не просто стали похожи на них внешне или по нескольким молекулярным маркерам. В них активировалась программа, связанная с β-клеточной идентичностью, они начали производить инсулин и выделять его в ответ на повышение концентрации глюкозы.

Учёные искали не новые β-клетки, а то, что мешает им появиться

В этом и заключается одна из самых интересных идей исследования.

При диабете проблема в конечном счёте связана с недостаточной функциональной массой β-клеток. При диабете 1-го типа эти клетки уничтожает иммунная система. При диабете 2-го типа ситуация сложнее: ткани становятся менее чувствительными к инсулину, β-клетки пытаются компенсировать растущую нагрузку, но со временем их функции и количества может оказаться недостаточно.

Поэтому один из больших вопросов современной диабетологии звучит так: откуда взять новые работающие β-клетки?

Можно пересаживать донорские клетки. Можно получать инсулин-продуцирующие клетки из стволовых клеток. Но исследователи пошли другим путём.

Они спросили: нельзя ли использовать клетки, которые уже находятся в поджелудочной железе человека?

Кандидатом стали клетки протоков — системы каналов, по которым секрет поджелудочной железы поступает в кишечник. Ранее уже появлялись данные о способности таких клеток приобретать свойства β-клеток, однако оставалось непонятно, какие молекулярные механизмы управляют этим превращением и можно ли целенаправленно его запустить.

CRISPR проверил более 19 000 генов и нашёл один необычный «тормоз»

Чтобы не угадывать потенциальную мишень, исследователи устроили масштабный генетический поиск.

Они создали систему, позволявшую увидеть момент активации программы β-клетки, а затем с помощью CRISPR последовательно нарушали работу генов. В общей сложности скрининг охватил более 19 000 генов.

Так появился ALDH3B2.

Он кодирует фермент из семейства альдегиддегидрогеназ. Когда его функция исчезала, клетки протоков начинали менять свою молекулярную идентичность.

Это важная деталь: ALDH3B2 оказался не геном, который «создаёт» β-клетку. Результаты скорее указывают на то, что его нормальная активность помогает удерживать клетку протока в существующем состоянии.

Убрали его — и открылась возможность перейти в другое состояние.

Клетка сначала сделала шаг назад

Здесь находится, пожалуй, самый красивый биологический момент исследования.

Превращение не выглядело как мгновенная замена одной клеточной программы другой.

Клетка протока сначала временно приобретала более незрелое состояние, напоминающее панкреатическую клетку-предшественника. И только после этого начинала двигаться в сторону β-подобной клетки.

Проще говоря, клетка словно сначала частично «забывала» свою прежнюю профессию, а затем получала возможность освоить новую.

Такой процесс называется трансдифференцировкой — переходом одной уже специализированной клетки в другой клеточный тип.

Именно поэтому исследование интересно далеко за пределами диабета. Оно показывает, насколько активно организм должен поддерживать клеточную идентичность даже во взрослом возрасте.

Взрослая клетка остаётся клеткой определённого типа не просто потому, что однажды такой стала. Её состояние постоянно поддерживается системой генов, эпигенетических меток и молекулярных сигналов.

Иногда изменение одного элемента этой системы может обнаружить скрытую пластичность.

Новые клетки действительно реагировали на сахар

Но изменение набора активных генов ещё не делает клетку функциональной β-клеткой.

Поэтому исследователям требовалось проверить главное: способен ли получившийся клеточный тип делать то, ради чего существуют β-клетки.

После подавления ALDH3B2 клетки начали экспрессировать значительно больше характерных для β-клеток генов. Изменилось и эпигенетическое состояние участка, связанного с геном инсулина: он стал более доступным для работы клеточной системы.

Главное — клетки секретировали инсулин в ответ на глюкозу.

В нормальных условиях переход клеток протоков в β-подобное состояние наблюдался менее чем у 1% клеток. После подавления ALDH3B2 доля достигала примерно 8,5%.

Это всё ещё небольшая часть клеток. Но для экспериментальной биологии разница принципиальна: исследователи получили управляемое увеличение процесса, который без вмешательства происходил крайне редко.

Самый серьёзный тест провели уже не в чашке Петри

Затем перепрограммированные человеческие клетки пересадили мышам с экспериментально вызванным диабетом.

Использовали иммунодефицитных животных, чтобы их иммунная система не уничтожила человеческий трансплантат.

Пересаженные клетки продолжали реагировать на повышение глюкозы и выделяли человеческий инсулин. Уровень глюкозы у животных снизился почти до нормального и оставался таким в течение шестинедельного периода наблюдения.

Это существенно усиливает результат.

Одно дело — увидеть в лаборатории появление нескольких характерных белков. Другое — показать, что клетки способны выполнять физиологически значимую функцию в живом организме.

Но именно здесь особенно важно не перепрыгнуть от эксперимента к обещанию лечения.

Мышам пересаживали уже обработанные человеческие клетки. Исследование не показало, что можно выключить ALDH3B2 непосредственно в поджелудочной железе человека и таким образом восстановить производство инсулина.

Это ещё не полноценные β-клетки

Слово «β-подобные» в работе принципиально важно.

Полученные клетки производили значительно меньше инсулина, чем нормальные человеческие β-клетки. Эффективность самого превращения также оставалась ограниченной.

Авторы предполагают, что одного ALDH3B2 может быть недостаточно для полного созревания клетки. Возможно, существуют другие молекулярные барьеры, которые необходимо снять или, наоборот, другие программы, которые нужно активировать.

Не до конца понятен и сам механизм действия ALDH3B2. Исследование обнаружило сильную связь между потерей его функции и изменением клеточной идентичности, но ещё предстоит разобраться, каким образом этот фермент участвует в поддержании состояния клетки протока.

Поэтому нынешний результат — не способ вылечить диабет, а обнаружение потенциальной точки управления клеточной пластичностью.

Почему ALDH3B2 интересен не только генным инженерам

Есть ещё одна причина, по которой эта мишень привлекла внимание исследователей.

ALDH3B2 — фермент.

А активность ферментов во многих случаях можно изменять лекарственными молекулами. То есть теоретически для воздействия на этот механизм не обязательно навсегда редактировать геном клетки.

Авторы проверили эту идею с помощью DEAB — неселективного ингибитора альдегиддегидрогеназ. Он также способствовал появлению β-подобных клеток.

Однако DEAB действует не только на ALDH3B2, поэтому считать его будущим лекарством нельзя. Следующий логичный шаг — поиск молекул, которые смогут достаточно селективно воздействовать именно на нужный фермент.

И здесь возникает привлекательная, но пока исключительно экспериментальная перспектива: вместо производства новых β-клеток за пределами организма однажды можно было бы попытаться использовать собственный клеточный резерв поджелудочной железы.

До доказательства такой возможности у человека предстоит пройти очень большой путь.

При диабете 1-го типа одной регенерации всё равно будет недостаточно

Даже если исследователи научатся эффективно создавать новые β-клетки внутри человеческой поджелудочной железы, останется фундаментальная проблема.

При диабете 1-го типа иммунная система атакует β-клетки. Создание новых клеток без контроля аутоиммунного процесса может просто предоставить иммунной системе новые мишени.

При диабете 2-го типа препятствие другое: необходимо учитывать сохраняющуюся инсулинорезистентность и метаболическую среду, в которой должны работать новые клетки.

Поэтому восстановление β-клеточной массы — потенциально важная часть будущей терапии, но не автоматическое решение всех причин диабета.

Именно это отличает интересное фундаментальное открытие от готового лечения.

Главная находка — не инсулин, а пластичность взрослой клетки

На поверхности эта работа выглядит как ещё одна попытка получить клетки, производящие инсулин.

Но её более глубокий смысл другой.

Исследователи начали не со стволовой клетки, которую ещё предстоит научить быть β-клеткой. Они взяли уже специализированные взрослые клетки человеческой поджелудочной железы и обнаружили молекулярный барьер, мешающий им изменить свою судьбу.

После снятия этого барьера часть клеток смогла пройти через более незрелое состояние и включить новую программу.

Это меняет сам способ постановки вопроса.

Возможно, для регенеративной медицины не всегда нужно искать клетки «на замену». Иногда нужные клетки можно попытаться получить из уже существующих тканей, если понять, какие молекулярные механизмы удерживают их нынешнюю идентичность.