Нейроны из стволовых клеток оказались не такими взрослыми, как предполагалось

Исследование Сколтеха показало, почему выращенные в лаборатории клетки мозга сохраняют признаки раннего развития и как это влияет на изучение неврологических заболеваний

Учёные Сколтеха совместно с коллегами из Российской академии наук, МГУ имени М. В. Ломоносова и других организаций сравнили пространственную организацию генома нейронов, выращенных в лаборатории, с нейронами взрослого человеческого мозга.

Результаты опубликованы в журнале Genome Research. Они показывают, что лабораторные нейроны могут быть полезны для изучения развития нервной системы, но их применение при исследовании возрастных нейродегенеративных заболеваний требует особой осторожности.

Как можно получить нейрон из обычной клетки человека

Большинство нейронов головного мозга формируется на ранних этапах жизни. Получить живые зрелые нейроны взрослого человека для лабораторных экспериментов крайне сложно.

Поэтому исследователи используют технологию индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, или iPSC.

Её принцип заключается в том, что обычную клетку взрослого человека, например клетку кожи, с помощью специальных факторов перепрограммируют в состояние, напоминающее эмбриональную стволовую клетку.

Затем, изменяя условия выращивания и набор биологических сигналов, исследователи направляют её развитие по определённому пути. В частности, можно получить нейроны различных типов.

Такие клетки сохраняют генетические особенности донора. Это особенно важно для изучения наследственных заболеваний и индивидуальных различий в реакции клеток на экспериментальные воздействия.

Но существует принципиальная проблема.

Получить клетку, которая приобрела признаки нейрона, и получить нейрон со всеми особенностями взрослого человеческого мозга — не одно и то же.

До сих пор оставалось недостаточно понятно, насколько далеко лабораторные клетки продвигаются по пути созревания на уровне пространственной организации генома.

Почему одинаковая ДНК ещё не означает одинаковую работу клетки

Почти все клетки организма содержат один и тот же набор генетических инструкций. Однако нейрон, клетка печени и клетка кожи работают совершенно по-разному.

Различия объясняются не только тем, какие гены присутствуют, но и тем, какие из них активны, какие подавлены и как регулируется их работа.

Здесь важную роль играет хроматин — комплекс ДНК и связанных с ней белков.

ДНК внутри клеточного ядра не располагается в виде свободной прямой нити. Она многократно складывается, образуя пространственную структуру.

В результате участки генома, находящиеся далеко друг от друга вдоль молекулы ДНК, могут оказаться рядом в трёхмерном пространстве.

Такие контакты помогают регулировать активность генов.

Например, определённый регуляторный участок ДНК может влиять на ген, расположенный от него на значительном расстоянии. При этом пространственная организация хроматина определяет, насколько доступны те или иные регуляторные взаимодействия.

По мере развития нейрона эта архитектура меняется.

Гены, необходимые на ранних стадиях формирования нервной системы, постепенно перестраивают свою активность. Возникают новые регуляторные взаимодействия, а некоторые программы развития подавляются.

Именно эту пространственную перестройку генома исследователи решили сравнить между лабораторными и зрелыми нейронами.

Что показали более 300 наборов данных о структуре генома

Авторы проанализировали большой массив экспериментальных данных, полученных на разных стадиях развития нервных клеток человека и мыши.

В опубликованной работе описана обработка 228 наборов данных по человеческим клеткам и 89 по клеткам мыши.

Они были объединены в 96 карт контактов хроматина с высоким покрытием, позволяющих сравнивать пространственную организацию генома. Исследование также включало новые экспериментальные данные, полученные авторами.

Для анализа использовали, в частности, технологию Hi-C.

Она позволяет выявлять участки ДНК, которые физически сближаются внутри клеточного ядра. На основе таких измерений можно строить карты трёхмерной организации генома.

Исследователи сравнили:

• эмбриональные и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки;
• клетки-предшественники нейронов;
• нейроны на ранних стадиях развития;
• нейроны, выращенные из стволовых клеток в лаборатории;
• нейроны, выделенные из тканей взрослого человеческого мозга после смерти доноров.

Такой подход позволил увидеть не просто отдельные различия, а последовательность изменений в пространственной организации ДНК по мере развития нервной системы.

Самое неожиданное: нейрон сформировался, а геном остался незрелым

Главный результат оказался достаточно определённым.

По организации хроматина нейроны, полученные из iPSC, значительно ближе к клеткам-предшественникам и нейронам ранних стадий развития, чем к зрелым клеткам взрослого мозга.

Причём различия обнаружились сразу на нескольких уровнях пространственной организации генома.

Первое отличие связано с разделением активных и относительно неактивных участков хроматина.

В лабораторных нейронах такое разделение оказалось более выраженным, чем в зрелых нейронах мозга.

Второе отличие касается топологически ассоциированных доменов, или TAD.

Так называют участки генома, внутри которых ДНК относительно часто взаимодействует сама с собой.

У выращенных нейронов эти домены были меньше и характеризовались более плотными внутренними контактами. На их границах чаще встречались гены, участвующие в программах развития.

Третье отличие оказалось особенно показательным.

В зрелых нейронах существуют дальние пространственные контакты, связанные с работой белковых комплексов Polycomb.

Эти комплексы участвуют в подавлении определённых генетических программ, в том числе необходимых на ранних этапах развития.

В лабораторных нейронах такие дальние репрессивные взаимодействия были значительно слабее.

Проще говоря, клетка уже приобрела нейронную специализацию, но её геном ещё не прошёл все характерные для взрослого нейрона этапы перестройки.

Это важное различие между приобретением клеточной идентичности и достижением полноценной молекулярной зрелости.

Почему это осложняет исследования болезни Альцгеймера и других заболеваний

Многие заболевания нервной системы развиваются десятилетиями.

Например, при болезни Альцгеймера патологические изменения связаны со сложными процессами, включающими старение клеток, нарушения белкового обмена, изменение межклеточных взаимодействий и другие механизмы.

Чтобы воспроизвести такие процессы в лаборатории, недостаточно получить клетку, которая обладает некоторыми признаками нейрона.

Необходимо понимать, какие свойства зрелого или стареющего нейрона действительно присутствуют в экспериментальной модели.

Если организация генома лабораторной клетки соответствует более раннему этапу развития, её реакция на определённые воздействия может отличаться от реакции зрелой клетки мозга.

Это создаёт риск неверной интерпретации результатов.

Например, отсутствие определённой реакции в лабораторном нейроне ещё не обязательно означает, что тот же механизм отсутствует в настоящем взрослом мозге.

Однако обнаруженная незрелость не делает такие модели бесполезными.

Она показывает, что лабораторный нейрон нельзя автоматически считать полным эквивалентом зрелой нервной клетки.

При этом исследование не проверяло эффективность конкретных лекарств и не доказывало, что все модели нейродегенеративных заболеваний, созданные с использованием iPSC, недостоверны.

Оно выявило определённые ограничения именно на уровне архитектуры хроматина.

Почему незрелость нейронов может оказаться преимуществом

У исследования есть и другая сторона.

Многие заболевания нервной системы связаны не только с повреждением зрелых клеток, но и с особенностями формирования мозга.

Для изучения таких процессов лабораторные нейроны, сохраняющие свойства ранних стадий развития, могут оказаться особенно информативными.

Авторы работы отдельно обращают внимание на психические расстройства, в происхождении которых участвуют нейроразвивающие механизмы.

В подобных случаях исследователей интересует, как генетические варианты влияют на работу регуляторных участков ДНК, развитие нервных клеток и формирование их функциональных свойств.

Здесь незрелая пространственная организация генома может быть не недостатком, а полезной особенностью модели.

Особенно если изучается взаимодействие между генетическим вариантом, связанным с риском заболевания, и геном, активность которого этот вариант способен изменять.

Именно поэтому авторы предлагают рассматривать данные о лабораторных и зрелых нейронах как взаимодополняющие.

Одни модели позволяют лучше исследовать ранние механизмы развития. Другие дают представление об особенностях сформировавшегося мозга.

Как исследование может изменить разработку новых лекарств

Клеточные модели широко используются в фундаментальных исследованиях и на ранних этапах поиска лекарственных соединений.

Они позволяют изучать молекулярные механизмы заболеваний и проверять экспериментальные гипотезы без непосредственного воздействия на пациентов.

Но ценность результата зависит от того, насколько модель соответствует изучаемому биологическому процессу.

Новое исследование предлагает дополнительный критерий оценки таких моделей — зрелость пространственной организации генома.

В перспективе это может помочь исследователям точнее выбирать клеточные системы для конкретных задач.

Например, при изучении ранних нарушений развития нервной системы одна модель может оказаться подходящей, а для исследования механизмов позднего нейродегенеративного заболевания потребуется другая.

Практический смысл заключается не в отказе от лабораторных нейронов, а в более точном понимании их возможностей.

Для разработчиков лекарств это особенно важно: результаты ранних экспериментов должны интерпретироваться с учётом биологических ограничений используемой модели.

Впрочем, пока речь идёт о фундаментальном исследовании. Авторы не продемонстрировали, что предложенные критерии уже повышают эффективность разработки препаратов или позволяют предсказывать клинические результаты.

Что исследователям ещё предстоит выяснить

Работа выявила существенные различия между лабораторными и зрелыми нейронами, однако оставила открытыми несколько важных вопросов.

Прежде всего, неясно, насколько полно пространственная организация генома может созревать при изменении условий культивирования.

Также необходимо выяснить, какие именно особенности незрелого хроматина сильнее всего влияют на моделирование конкретных заболеваний.

Ещё один вопрос касается связи между пространственной организацией ДНК и функциональными свойствами клетки.

Поэтому для оценки модели могут потребоваться разные независимые показатели зрелости.

Созданная исследователями база карт трёхмерного генома человека и мыши предоставляет научному сообществу ресурс для дальнейших сравнений.

Она может использоваться при проверке новых клеточных моделей и изучении того, как изменяется регуляция генов на разных стадиях развития нервной системы.