Ученые Школы медицины Университета Пенсильвании разработали совершенно новый и гораздо более эффективный метод получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (induced pluripotent stem cells, iPSCs) – незрелых клеток, способных трансформироваться в различные типы клеток организма. Перспективное направление использования таких клеток – скрининг лекарственных препаратов, а также регенерация тканей.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) обычно получают из взрослых соматических клеток методом экспрессии четырех различных генов, называемых транскрипционными факторами. Первое сообщение о получении ИПСК таким методом было сделано в 2006 году доктором Шинья Яманака (Shinya Yamanaka). С тех пор многие научные группы добились аналогичных результатов, используя один или несколько из этих четырех транскрипционных факторов.

Перспективность этого направления исследований состоит в получении специфичных для пациента стволовых клеток для изучения болезней человека, а также для создания клеточного «банка» для регенерации собственных клеток пациента, например клеток сердца или печени. Несмотря на такие широкие перспективы и важность этой области исследований получение ИПСК сдерживается низкой эффективностью, особенно при использовании человеческих клеток.

«Мы изменили правила игры», – говорит профессор отделения медицины, биологии развития и клеточной биологии доктор философии Эдвард Морриси (Edward Morrisey), научный директор Института регенеративной медицины университета Пенсильвании. «Впервые удалось получить индуцированные плюрипотентные стволовые клетки без использования четырех факторов транскрипции, повысив при этом эффективность процесса в 100 раз».

Профессор Морриси – руководитель исследования, результаты которого опубликованы в престижном научном журнале Cell Stem Cell.

«Эффективное получение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток имеет первостепенное значение для их потенциального терапевтического использования», – комментирует результаты исследования Джеймс Кили (James Kiley), директор Отдела легочных заболеваний Национального института сердца, легких и крови США (National Heart, Lung, and Blood Institute). «Это работа – важный шаг в этом направлении. Кроме того, она будет способствовать научным исследованиям в области биологии стволовых клеток в целом».

До разработки нового метода, в котором вместо четырех транскрипционных факторов используются микроРНК (microRNA, miRNA), из каждых 100000 взрослых перепрограммированных клеток ученые могли получить небольшую «горстку» ИПСК, как правило, меньше 20. Использование основанного на микроРНК метода позволило увеличить эту цифру приблизительно до 10000. МикроРНК  – короткие молекулы РНК, связывающиеся с комплиментарными последовательностями матричной РНК (мРНК) и подавляющие таким образом экспрессию соответствующих генов.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки мыши, полученные с помощью микроРНК – метода, разработанного в лаборатории профессора Морриси. Зеленая флуоресценция указывает на экспрессию гена Oct4, являющегося маркером плюрипотентных стволовых клеток. (Фото: Эдвард Морриси, Школа медицины Университета Пенсильвании)

Лаборатория Морриси разработала свой подход, основываясь на исследовании роли микроРНК в развитии легких. Ученые работали с кластером микроРНК, называемым miR302/367, играющим важную роль в развитии легочных эндодермальных клеток-предшественников. Высокий уровень экспрессии этого же кластера микроРНК, как известно, демонстрируют и эмбриональные стволовые клетки.

Исследователи провели простой эксперимент. Они экспрессировали эти микроРНК в мышиных фибробластах и с удивлением обнаружили колонии, которые выглядели как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки.

«Мы были очень удивлены тому, что это сработало в первом же эксперименте, и метод оказался гораздо более эффективным, чем подход доктора Яманаки, основанный на транскрипционных факторах», – комментирует полученные результаты доктор Морриси.

Так как микроРНК выступают в роли репрессоров экспрессии белков, вполне вероятно, что они могут подавлять репрессоры тех самых четырех транскрипционных факторов, а также и других факторов, важных для сохранения клетки в состоянии плюрипотентной стволовой. Однако в чем именно заключается различие между работой микроРНК и транскрипционных факторов при трансформации взрослых клеток в ИПСК, требует дальнейшего изучения.

Полученные с помощью основанного на микроРНК метода ИПСК способны трансформироваться в большинство, если не во все, тканей развивающихся мышей, включая половые клетки – яйцеклетки и сперматозоиды. Сейчас лаборатория Морриси сотрудничает с несколькими учеными, чтобы редифференцировать свои ИПСК в кардиомиоциты, гематопоэтические (кроветворные) клетки и клетки печени – гепатоциты.

Для перепрограммирования взрослых клеток в ИПСК могут быть использованы синтетические версии молекул микроРНК, называемые имитаторами или прекурсорами. Такие имитаторы можно легко вводить в клетки в больших количествах, что позволит получать ИПСК без использования генетических методов.

«Мы надеемся получить синтетические микроРНК, чтобы трансформировать взрослые клетки в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые в конечном итоге могут быть редифференцированы в другие типы клеток, например, в клетки печени, сердечной мышцы или нейроны», – планирует дальнейшие исследования профессор Морриси.

Аннотация к статье Highly Efficient miRNA-Mediated Reprogramming of Mouse and Human Somatic Cells to Pluripotency