Эмбриональные стволовые клетки обладают огромным потенциалом в области медицины, и открытие того, что плюрипотентные стволовые клетки могут быть созданы из клеток кожи, было удостоено Нобелевской премии в 2012 году. Однако используемый сегодня процесс трансформации клеток остается чрезвычайно медленным и малоэффективным. Более того, получаемые в результате стволовые клетки непригодны для клинического применения. Исследование доктора Якуба Ханна (Yaqub Hanna) из Института Вейцмана (Weizmann Institute) кардинально изменяет эту ситуацию.

Израильские исследователи идентифицировали «тормоз», сдерживающий образование стволовых клеток, и установили, что снятие этого тормоза синхронизирует процесс перепрограммирования и повышает его эффективность с сегодняшних около 1 до 100 процентов. Полученные данные облегчат выращивание стволовых клеток для медицинских целей, а также углубят понимание таинственного процесса возвращения взрослых клеток в исходное, близкое к эмбриональному, состояние.

Эмбриональные стволовые клетки – клетки, еще не прошедшие никакой «специализации»: – они могут дать начало любым типам клеток. Этим и определяется их особая ценность: потенциально их можно использовать для восстановления поврежденных тканей, лечения аутоиммунных заболеваний и даже для выращивания органов для последующей пересадки. Однако использование стволовых клеток, взятых из эмбрионов, весьма проблематично из-за их доступности и этических проблем, но надежда на их медицинское применение ожила в 2006 году, когда группа во главе с Синья Яманака (Shinya Yamanaka) из Киотского университета (Kyoto University) научилась «перепрограммировать» дифференцированные клетки. Полученные методом Яманака клетки, названные индуцированными плюрипотентными стволовыми (ИПСК), перепрограммируются путем встраивания в ДНК четырех определенных генов. Однако этот процесс долог и неэффективен: он занимает до четырех недель, при этом в стволовые клетки трансформируется менее одного процента обработанной популяции. Кроме того, он не синхронен – время преобразования в ИПСК разнится от клетки к клетке.

Что является препятствием, мешающим эффективному перепрограммированию большинства клеток? Или таких препятствий несколько? Доктор Ханна и сотрудники его лаборатории поставили своей целью найти ответы на эти вопросы. Используя математические модели, доктор Ханна пришел к выводу, что препятствие только одно. Однако результаты, полученные на математических моделях, должны обязательно быть подтверждены экспериментальными данными, тем более в биологии. В настоящем исследовании, опубликованном в журнале Nature, было не только получено доказательство этого предположения, но и найдено само это препятствие. Более того, ученые доказали, что его устранение может существенно повысить эффективность трансформации клеток.

Исследователи сфокусировали свое внимание на белке, называемом MBD3, с неизвестной функцией. Это белок привлек их внимание, прежде всего, своей экспрессией в каждой клетке на каждом этапе развития организма, что является довольно редким явлением: большинство белков синтезируются для выполнения определенных функций, в определенное время и в определенных клетках. Ученые установили, что из правила экспрессии MBD3 есть одно исключение – первые три дня после зачатия. Это как раз те три дня, в которые оплодотворенная яйцеклетка активно делится, и зарождающийся эмбрион образует сферу из плюрипотентных стволовых клеток. Дифференцировка этих клеток начинается с четвертого дня, и они постепенно теряют свою плюрипотентность. Именно в это время в клетках впервые начинает синтезироваться MBD3.

Верхний ряд: предыдущий метод получения ИПСК; нижний ряд: ИПСК, полученные методом доктора Ханна. Слева: клетки кожи (красные); в центре: ИПСК
из клеток кожи (зеленые); справа: изображение, полученное совмещением левого и центрального снимков. Перепрограммированные в ИПСК клетки кожи показаны
светло-желтым. Количество ИПСК на верхнем правом изображении значительно меньше, чем на нижнем правом. (Фото: Weizmann Institute of Science)

Открытие израильских ученых имеет большое значение для получения ИПСК для клинического использования. Свои четыре гена доктор Яманака встраивал в ДНК клетки с помощью вирусов, но, по соображениям безопасности, вирусы не используются в перепрограммировании клеток, которые будут применяться для лечения пациентов. Это еще более снижает эффективность процесса: стволовыми становятся всего около десятой доли процента клеток обработанной популяции. Доктор Ханна показал, что удаление белка MBD3 из взрослых клеток организма может ускорить процесс перепрограммирования на несколько порядков и значительно повысить его эффективность. В частности, время, необходимое для получения стволовых клеток, сокращается до восьми дней.

По мнению Ханна, успех его группы основан на изучении естественного эмбрионального развития: «Ученым, занимающимся перепрограммированием, многое может дать более глубокое понимание образования эмбриональных стволовых клеток в природе. Ведь природа все еще делает их лучше, самым эффективным способом».

Оригинальная статья:

Deterministic direct reprogramming of somatic cells to pluripotency