Ингибирование гликолиза в эмбриональных стволовых клетках задерживает их в плюрипотентном состоянии

Метаболизм не только обеспечивает клетки энергией, но и влияет на то, какие гены в них работают, а какие молчат. Это особенно важно для стволовых клеток, которые должны иметь возможность к превращению в разные типы клеток организма — то есть находиться в плюрипотентном состоянии. Группа под руководством ученых из Копенгагена исследовала, как усиление окислительного фосфорилирования влияет на эмбриональные стволовые клетки мыши.

Окислительное фосфорилирование — это аэробный метаболический процесс, при котором митохондрии используют энергию кислородного окисления питательных веществ для синтеза АТФ. Чтобы стимулировать этот метаболический путь, исследователи заменили D-глюкозу в культуральной среде клеток на D-галактозу — из-за этого клетки лишились возможности активно использовать гликолиз и вынуждены были переходить на окислительное фосфорилирование.

Отсутствие глюкозы в среде приводило к усиленной активации NAD⁺-зависимых деацетилаз семейства сиртуинов, в частности фермента SIRT1. В данном случае деацитилирование затронуло белки хроматина и транскрипционные факторы, такие как SOX2, который служит регулятором плюрипотентности. Деацетилирование SOX2 усилило его способность связываться с регуляторными последовательностями в ДНК.

Кроме того, активация сиртуинов изменяла структуру хроматина и усиливала деацетилирование регуляторных элементов, отвечающих за дифференцировку в разные клеточные типы, снижая их активность. При этом усиливалась работа тех участков генома, которые поддерживают плюрипотентность.

Для оценки этих изменений ученые использовали несколько методов, основанных на секвенировании. Секвенирование открытых участков хроматина (ATAC-seq) позволило определить, какие зоны ДНК оставались доступными для регуляции. Метод CUT&Tag (картирование белков, связанных с ДНК) исследователи использовали для детального картирования активных энхансеров — регуляторных элементов, усиливающих экспрессию специфичных генов. Анализ показал уменьшение числа активных энхансеров в клетках, перешедших на галактозу, но оставшиеся энхансеры в большей степени усиливали экспрессию регуляторных элементов, чем у клеток, потребляющих глюкозу.

Далее ученые проанализировали роль SIRT1. Блокировка сиртуиновой активности с помощью никотинамида или других специфических ингибиторов нарушала эффект перепрограммирования клеток, а делеция Sirt1 приводила к сохранению фоновой активности хроматина — в стволовых клетках поддерживалась хаотичная активность многих генов, что не позволяло им запустить программу самообновления.

Эмбриональные стволовые клетки, в которых было усилено окислительное фосфорилирование, приближались по свойствам к внутренней клеточной массе — клеткам, которые в ходе эмбриогенеза дают начало эмбриональным стволовым. Иными словами, активация NAD⁺-зависимых деацетилаз усиливала стволовость клеток, переводя их в менее дифференцированное состояние и стабилизируя в нем.

Авторы подтвердили полученные результаты на модели развития мышиных эмбрионов. Они культивировали бластоцисты — ранние эмбрионы на стадии около 32–64 клеток — в условиях, усиливающих окислительное фосфорилирование. Это приводило к увеличению доли клеток внутренней клеточной массы — группы клеток внутри бластоцисты, из которых впоследствии развивается собственно эмбрион, а не вспомогательные структуры, такие как плацента. Увеличение числа этих клеток указывало на то, что изменения метаболизма действительно поддерживают плюрипотентное состояние клеток в живом организме, а не только в культуре.

Таким образом, работа впервые продемонстрировала, что метаболический сдвиг через изменение баланса NAD⁺/NADH и активацию сиртуинов может программировать клетку, направляя ее в сторону реализации плюрипотентного состояния. Авторы предполагают, что подобные механизмы могут участвовать также в регенерации тканей или в процессах старения, и их изучение позволит разработать надежные методы получения плюрипотентных клеток для исследовательских или терапевтических целей.

Ретровирус в геноме управляет ходом эмбриогенеза мыши