Если люди когда—нибудь смогут восстанавливать поврежденные ткани так, как это обычно делают ящерицы и рыбы, это потребует точного контроля экспрессии генов во времени и в месте - в противном случае вы можете получить случайные клетки, растущие повсюду, или новую часть тела, которая никогда не перестанет расти. То есть остановить процесс так же важно, как и начать его.

Команда ученых из университета Дьюка, изучающая, как у других животных восстанавливаются поврежденные ткани, сделала важный шаг к управлению по крайней мере одной частью регенеративного механизма с такой точностью. Они использовали механизмы, на которые полагаются рыбки Данио для восстановления повреждений своих сердец, в сочетании с вирусными векторами, используемыми для генной терапии у людей.

В новой статье, появившейся онлайн 13 декабря в журнале Cell Stem Cell, исследователи демонстрируют способность контролировать активность генов в ответ на повреждение, ограничивая ее определенной областью ткани и в течение определенного временного интервала, вместо того, чтобы быть постоянно активными во всем органе.

Они позаимствовали сегмент ДНК рыбы, который они называют ДЕРЕВОМ, элементом, усиливающим регенерацию тканей. Деревья - это семейство генов-энхансеров, включенных в геном, которые отвечают за распознавание повреждения и управление активностью генов, связанных с репарацией, для восстановления в определенном месте. Эти усилители также могут отключать активность генов по мере завершения заживления. Эти регуляторные элементы были обнаружены у плодовых мух, червей и мышей, а также у рыбок Данио.

"У нас, вероятно, они тоже есть", - сказал Кен Посс, доктор философии, заслуженный профессор регенеративной биологии Джеймса Б. Дьюка в медицинской школе Дьюка, который обнаружил регенерацию сердца у рыбок Данио два десятилетия назад и с тех пор изучает ее. "Но нам просто легче найти их у рыбок Данио и спросить, работают ли они у млекопитающих".

Эти энхансерные последовательности длиной около 1000 нуклеотидов изобилуют сайтами распознавания различных факторов и стимулов для присоединения и изменения активности генов. "Мы не до конца понимаем, как они это делают и на что они действительно реагируют", - сказал Посс.

Разные типы клеток внутри животного также имеют разные типы этих усилителей, сказал Посс. "Некоторые из них реагируют на несколько тканей — это те, которые мы используем здесь. Но когда мы профилируем регенерирующий спинной мозг или плавники у рыб, мы получаем разные последовательности". Он добавил, что в геноме человека могут быть десятки тысяч таких типов энхансеров.

В качестве первого шага в этом 6-летнем исследовательском проекте исследователи включили несколько различных видов рыбок Данио в геномы эмбриональных мышей. Используя видимый маркер для обозначения активности генов, они обнаружили, что около половины усилителей работали по назначению и окрашивали ткани в синий цвет, когда и где они ощущали повреждение тканей у трансгенных млекопитающих.

Затем они хотели знать, могут ли они избирательно вводить элементы энхансера во взрослую мышь, используя аденоассоциированный вирус, знакомый инструмент генной терапии для введения последовательностей генов в клетки. Вирус внедрил ДНК, содержащую усилитель, во все ткани, но была надежда, что деревья станут активными только в ответ на травму.

Серия экспериментов на моделях сердечного приступа у мышей показала, что вирусы, содержащие ДЕРЕВО, могут быть введены за неделю до травмы, а затем усилитель начнет действовать, когда обнаружит травму. Но они обнаружили, что он также работает, когда его вводят животному через день или два после сердечного приступа. "Все три дерева, которые мы протестировали, могли бы быть эффективными, если бы были доставлены через день, а иногда и дольше после травмы — они все еще могли бы нацеливать экспрессию на травму", - сказал Посс.

"Позволит ли нам этот метод доставки ДЕРЕВА и гена доставить молекулярный груз в нужное место в нужное время? Мы обнаружили, что это происходит у мышей", - сказал Посс.

Они также вирусно доставили ДЕРЕВО и ген флуоресцентного маркера свиньям, у которых гораздо большее сердце с более похожей на человеческую частотой сердечных сокращений. Они вводили вирусы в сердца свиней через коронарные артерии либо до, либо после сердечного приступа, и снова маркер светился только в месте повреждения.

Затем, чтобы посмотреть, действительно ли эта система может восстанавливать повреждения, вместо того, чтобы просто распознавать повреждения и включать ген, который освещает ткани, они ввели гиперактивированную форму YAP, мощного гена роста тканей, который участвует в раке. Ключевой вопрос заключался в том, можно ли заставить этот "действительно мощный молоток", способный привести деление клеток в неистовство, работать только в нужное время и в нужном месте.

Они использовали мутировавший YAP, контролируемый ДЕРЕВОМ, чтобы посмотреть, можно ли обеспечить безопасный рост мышц после сердечного приступа у мышей. "ДЕРЕВО включило мутировавший YAP на несколько недель, как раз в месте повреждения, а затем оно естественным образом отключило экспрессию", - сказал Посс. Лечение привело к тому, что мышечные клетки начали делиться, и сердце мыши вернулось к почти нормальной функции через несколько недель, хотя и не без некоторых рубцов.

"Вы действительно не хотели бы выражать YAP в полную силу, это может вызвать такие проблемы, как чрезмерный рост, но мы обнаружили, что можем управлять им", - сказал Посс. "Все животное получает генную терапию, но ген YAP экспрессируется на измеримых уровнях только тогда, когда и где вы повреждаете сердце", - сказал Посс. "Мы думаем, что можем использовать эти методы для контроля генов в определенное время и в определенном пространстве, и это включает в себя их отключение".

Следующей задачей исследователей будет лучшее понимание того, какие молекулы связываются с энхансерами, что контролирует их функции и где они расположены в геноме человека, в дополнение к улучшению их способности нацеливаться.

"Эти элементы управления - вот что важно", - сказал Посс. "У рыбок Данио во многом те же гены, что и у нас, но их способность к регенерации сердца зависит от того, как они контролируют эти гены после серьезной травмы".

"А как насчет других моделей травм?" Посс удивляется. "Может ли это сработать при черепно-мозговой травме или повреждении спинного мозга?"