Стволовые клетки - это биологическое чудо. Они могут ремонтировать, восстанавливать, заменять и регенерировать клетки. У большинства животных и людей эти клетки ограничены регенерацией только того типа клеток, к которому они отнесены. Таким образом, стволовые клетки волос будут производить только волосы. Стволовые клетки кишечника будут создавать только кишечник. Но у многих отдаленно родственных беспозвоночных популяции стволовых клеток плюрипотентны у взрослых животных, что означает, что они могут регенерировать практически любой отсутствующий тип клеток, процесс, называемый регенерацией всего организма.

Несмотря на то, что эти взрослые плюрипотентные стволовые клетки (АПСК) обнаружены у многих различных видов животных (таких как губки, гидры, плоские черви-планарии, черви-акоели и некоторые морские брызги), механизм их образования неизвестен ни у одного вида.

В новом исследовании в Cell исследователи с кафедры организменной и эволюционной биологии Гарвардского университета определили клеточный механизм и молекулярную траекторию формирования APSC у червя acoel, Hofstenia miamia.

H. miamia, также известный как трехполосный червь-пантера, - это вид, который может полностью регенерировать с помощью APSC, называемых "необластами". Разрежьте H. miamia на кусочки, и из каждого кусочка вырастет новое тело, включающее все, от рта до мозга. Старший автор профессор Манси Шривастава собрал H. miamia в полевых условиях много лет назад из-за его регенеративной способности. Вернувшись в лабораторию, H. miamia начал производить много эмбрионов, которые можно было легко изучить.

В предыдущем исследовании Шривастава и соавтор, постдокторант Лоренцо Риччи, разработали протокол трансгенеза у H. miamia. Трансгенез - это процесс, который вводит в геном организма нечто, что обычно не является частью этого генома. Этот метод позволил ведущему автору Джулиану О. Кимуре (доктор философии, 22 года) продолжить свой вопрос о том, как производятся эти стволовые клетки.

"Одной из общих характеристик среди животных, способных к регенерации, является наличие плюрипотентных стволовых клеток во взрослом организме", - сказал Кимура. "Эти клетки отвечают за восстановление недостающих частей тела, когда животное ранено. Поняв, как животные, подобные H. miamia, вырабатывают эти стволовые клетки, я почувствовал, что мы сможем лучше понять, что придает определенным животным регенеративные способности ".

Существуют некоторые объединяющие особенности этих популяций стволовых клеток у взрослых животных, такие как экспрессия гена под названием Piwi. Но ни у одного вида до сих пор никому не удалось выяснить, как вообще образуются эти стволовые клетки. "В основном они изучались в контексте взрослых животных, - сказал Шривастава, - и у некоторых видов мы немного знаем о том, как они могут работать, но мы не знаем, как они сделаны".

Исследователи знали, что детеныши червей содержат APSC, поэтому пришли к выводу, что они должны быть получены во время эмбриогенеза. Риччи использовал трансгенез для создания линии, которая заставляла клетки эмбриона светиться флуоресцентным зеленым цветом благодаря введению в клетку белка Kaede. Kaede является фотоконвертируемым, что означает, что, направив лазерный луч с очень определенной длиной волны на зеленый, вы преобразуете его в красный цвет. Затем вы можете удалить клетки лазером, чтобы отдельные зеленые клетки эмбриона окрасились в красный цвет.

"Использование трансгенных животных с фотоконверсией - это совершенно новый подход, который мы разработали в лаборатории, чтобы выяснить судьбу эмбриональных клеток", - сказал Шривастава. Кимура применил этот метод для отслеживания родословной, позволив эмбрионам расти и наблюдая за тем, что происходит.

Кимура следил за развитием эмбриона, когда он расщеплялся от одной клетки к нескольким клеткам. Раннее деление этих клеток характеризуется стереотипным расщеплением, что означает, что клетки от эмбриона к эмбриону делятся точно по той же схеме, так что клетки могут быть названы и изучены последовательно. Это повысило вероятность того, что, возможно, каждая отдельная клетка имеет уникальное назначение. Например, на стадии с восемью ячейками возможно, что верхняя, левая угловая ячейка образует определенную ткань, в то время как нижняя, правая ячейка образует другую ткань.

Чтобы определить функцию каждой клетки, Кимура систематически выполнял фотоконверсию для каждой из клеток раннего эмбриона, создавая полную карту судьбы на восьмиклеточной стадии. Затем он проследил за клетками по мере того, как червь превращался во взрослую особь, которая все еще носила красную маркировку. Повторяющийся процесс наблюдения за каждой отдельной клеткой снова и снова во многих эмбрионах позволил Кимуре проследить, где работает каждая клетка.

На шестнадцатиклеточной стадии эмбриона он обнаружил очень специфическую пару клеток, которые дали начало клеткам, которые выглядели как необласты. "Это действительно взволновало нас, - сказал Кимура, - но все еще существовала вероятность того, что необласты возникали из нескольких источников в раннем эмбрионе, а не только из двух пар, обнаруженных на стадии шестнадцати клеток. Обнаружение клеток, которые просто внешне напоминали необласты, не было окончательным доказательством того, что они действительно были необластами, нам нужно было показать, что они также вели себя как необласты ".

Чтобы быть уверенным, Кимура испытал этот конкретный набор клеток, называемый 3a / 3b в H. miamia. Чтобы быть необластами, клетки должны удовлетворять всем известным свойствам стволовых клеток. Образует ли потомство этих клеток новую ткань во время регенерации? Исследователи обнаружили, что да, потомство только этих клеток образовало новую ткань во время регенерации.

Другим определяющим свойством является уровень экспрессии генов в стволовых клетках, в которых должны быть экспрессированы сотни генов. Чтобы определить, соответствует ли 3a / 3b этому свойству, Кимура взял потомство, в котором 3a / 3b светились красным, а все остальные клетки светились зеленым, и использовал сортировочную машину, которая разделила красные и зеленые клетки. Затем он применил технологию одноклеточного секвенирования, чтобы выяснить, какие гены экспрессируются в красных и зеленых клетках. Эти данные подтвердили, что на молекулярном уровне только потомство клеток 3a/3b соответствовало стволовым клеткам, а не потомству какой-либо другой клетки.

"Это было окончательным подтверждением того факта, что мы нашли клеточный источник популяции стволовых клеток в нашей системе", - сказал Кимура. "Но, что важно, знание клеточного источника стволовых клеток теперь дает нам способ улавливать клетки по мере их созревания и определять, какие гены участвуют в их создании".

Кимура сгенерировал огромный набор данных эмбрионального развития на одноклеточном уровне с подробным описанием того, какие гены экспрессировались во всех клетках эмбрионов от начала до конца развития. Он позволил преобразованным клеткам 3a/3b развиваться немного дальше, но не до стадии вылупления. Затем он захватил эти клетки, используя технологию сортировки. Сделав это, Кимура смог четко определить, какие гены конкретно экспрессируются в линии клеток, образующих стволовые клетки.

"Наше исследование выявляет набор генов, которые могут быть очень важными регуляторами формирования стволовых клеток", - сказал Кимура. "Гомологи этих генов играют важную роль в стволовых клетках человека, и это актуально для разных видов".

"Джулиан начинал в моей лаборатории, желая изучить, как образуются стволовые клетки в эмбрионе, - сказал Шривастава, - и это невероятная история, что, когда он закончил, он понял это".

Исследователи планируют продолжить углубляться в механизм того, как эти гены работают в стволовых клетках Hofstenia miamia, что поможет рассказать, как природа разработала способ получения и поддержания плюрипотентных стволовых клеток. Знание молекулярных регуляторов aPSCs позволит исследователям сравнить эти механизмы у разных видов, раскрыв, как плюрипотентные стволовые клетки эволюционировали у разных животных.