Петр Тюрин-Кузьмин: «На каком языке говорят мезенхимные стволовые клетки?»

Петр Тюрин-Кузьмин (д.б.н., доцент кафедры биохимии и регенеративной биомедицины факультета фундаментальной медицины МНОИ МГУ им. М.В. Ломоносова) выступил с лекцией «Можно ли “хакнуть” стволовые клетки? Учимся программировать нашу жировую ткань».

Проблема жира — не в самом жире

Обычно жир ассоциируется с заболеваниями и ожирением, но жировая ткань сама по себе не так плоха. Даже для образования рельефа лица, его черт требуется небольшой слой жировой ткани. Висцеральный жир тоже часто называют вредным, но в реальности именно он образует капсулы вокруг внутренних органов в брюшной полости. Этот жир необходим для того, чтобы защищать органы от механических повреждений, обеспечивать их питание и поддерживать сигнальную регуляцию. Недостаток висцерального жира при анорексии приводит к развитию тяжелых метаболических заболеваний. Поэтому на самом деле висцеральный жир считается одним из самых важных факторов метаболического здоровья человека.

Еще одно важное жировое депо в организме находится в концевых фалангах пальцев — этот жир выступает в роли амортизатора при движении животных, и он не уходит даже в случаях, когда человек сильно худеет из-за тяжелых заболеваний. В норме бурый жир обеспечивает термогенез, а розовый жир в районе груди при определенном гормональном фоне может трансформироваться в клетки молочной железы.

Главный вопрос, связанный с жиром, не в нем самом, а в его количестве и в том, насколько здорова жировая ткань сама по себе. Если жира слишком много или метаболизм жирных кислот нарушен, то образуются эктопические жировые депо, которые находятся в местах, где им в норме не положено быть: например, в печени, сердце и т.д.

Регенерация живой ткани

Со временем жировая ткань стареет и перестает обновляться. Срок жизни адипоцитов — 8–10 лет, и по сравнению с некоторыми другими типами клеток это много: клетки эпителия кишечника «живут» 2–3 дня, эритроциты — 4 месяца, гепатоциты — год. Следовательно, по истечении своего срока жизни адипоциты должны заменяться на новые и здоровые клетки. В целом, регенерация обеспечивается делением специализированных клеток либо дифференцировкой стволовых клеток. При повреждении тканей может происходить также трансдифференцировка: уже специализированные клетки могут взять на себя функции другого типа клеток.

В жировой ткани старые клетки погибают в результате апоптоза, а на их место приходят новые. При положительном энергетическом балансе жировая ткань получает сигнал запасать жир «на всякий случай», что приводит к состоянию гиперплазии: ткань разрастается за счет появления новых адипоцитов, но при этом они остаются нормального размера и здоровыми. Это метаболически здоровое ожирение.

Другой сценарий развития событий — это гипертрофия жировой ткани: в ней не появляются новые адипоциты, которые могли бы «разделить» с имеющимися жировую нагрузку. Адипоциты запасают липиды сами и раздуваются до огромных размеров. Из-за того, что липидные капли начинают занимать большую часть места в клетке, нарушается работа митохондрий и других органелл. Такие адипоциты становятся устойчивыми к гормонам, в частности, к инсулину: возникает инсулинорезистентность. Кроме того, в гипертрофированной жировой ткани наблюдается высокий уровень воспаления. Вместе все эти метаболические нарушения называются метаболическим синдромом.

Изредка возможно ожирение без повышения веса: у таких людей есть все признаки метаболического синдрома, кроме повышенной массы тела. Это происходит в случае, если нормальной регенерации жировой ткани не происходит. Отжившие свое адипоциты погибают, и тогда оставшиеся адипоциты пытаются взять на себя их функции, увеличиваясь в размерах. Таким образом, общий объем жировой ткани не увеличивается, но адипоциты становятся гипертрофированными, нездоровыми клетками.

Перспективный подход к лечению ожирения — перепрограммирование белых адипоцитов в бежевые, которые участвуют в производстве тепла и поддерживают термогенез. В бурых и бежевых адипоцитах много мелких жировых капель и много митохондрий — именно они придают этой ткани коричневый цвет.

Какие сигналы заставляют МСК дифференцироваться в клетки бурого жира?

За обновление стромальных клеток (адипоцитов, хондробластов, фибробластов, остеобластов и гладкомышечных клеток) отвечают мультипотентные мезенхимные стволовые клетки (МСК). При этом важно, чтобы МСК не только пополняли строму, но и правильно выбирали путь своей дифференцировки. То, какие сигналы определяют «путь» МСК, исследует научный коллектив Петра Тюрина-Кузьмина.

С помощью анализа транскриптома единичных клеток (scRNA-seq) исследователи выяснили, что все дифференцировочные траектории МСК проходят через одно и то же промежуточное состояние. На этом «распутье» клетки останавливаются перед выбором: уйти в самообновление или же дифференцироваться в фибробласты или адипоциты. То же самое состояние удалось обнаружить и при дифференцировке в другие стромальные клетки.

Одним из основных регуляторов МСК является норадреналин. Практически все МСК иннервированы симпатическими нервными волокнами, что подчеркивает важность этого механизма. Обычно клетки воспринимают норадреналин через бета3-адренорецепторы, причем запускается сигнальный каскад через cAMP. Но в случае МСК при воздействии высоких доз норадреналина клетка сначала «считывает» его через бета3-адренорецепторы, потом «прячет» эти рецепторы и начинает воспринимать сигнал с помощью альфа1А-адренорецепторов, которые запускают совсем другой сигнальный путь, приводящий к активации кальциевых каскадов. Эта реакция тоже временная: через сутки и альфа1А-адренорецепторы уходят с поверхности.

В исследованиях in vitro ученые подтвердили, что воздействие норадреналина переводит МСК в то самое инициированное состояние. Они сделали вывод, что пермиссивным сигналом для покоя МСК, их самообновления без дифференцировки является сигнализация через бета-3 адренорецепторы. Активация альфа-1А адренорецепторов, в свою очередь, служит одним из инструктивных сигналов, обеспечивающих начало дифференцировки.

В последующих экспериментах исследователи выяснили, что далеко не все МСК в культуре отвечают на норадреналин. Для этого они визуализировали кальциевые токи после стимуляции норадреналином и обнаружили, что некоторые клетки отличаются по активности от других. После этого ученые запустили дифференцировку в адипоциты и отследили судьбу каждой отдельной клетки. Те из них, в которых не наблюдалось активации кальциевых токов, впоследствии накапливали больше жировых капель. А в клетках, в которых кальциевые токи активировались, жировые капли оставались мелкими — то есть получались бежевые адипоциты. И действительно, в таких клетках усиливался гликолиз, повышалась интенсивность дыхания.

Еще один эксперимент показал, что на переход МСК в бежевые адипоциты влияют также фенилэфрин (агонист альфа1-адренорецепторов) и добутамин (агонист бета-адренорецепторов). При этом важны не только время действия, но и порядок воздействия гормонов на стволовые клетки: переход в бежевый жир происходил только при последовательном действии добутамина и фенилэфрина.

Полученные в культуре результаты ученые проверили на животных, используя две модели для генерации бурого жира. В одном случае мышей охлаждали на протяжении одной-двух недель, а в другом – животным вводили агонист бета3-адренорецепторов в течение того же времени. Чтобы проверить, действительно ли генерация бурого жира в живом организме также основана на двухэтапном механизме, в который вовлечена симпатическая нервная система, провели длительный эксперимент. Сначала животным проводили локальную симпатэктомию (только в районе одного из двух парных жировых депо), а через две недели у мышей вызывали побурение жира одним из двух способов. Через семь дней исследователи извлекли жировые депо, которые проанализировали с помощью хроматографии, вестерн-блоттинга, иммуногистохимии и иммуноферментного анализа.

В результате ученые доказали, что в случае симпатэктомии побурения жира не происходит. Следовательно, для побурения действительно необходимо двухэтапное воздействие на клетки с промежуточным инициированным состоянием.

Команда Петра Тюрина-Кузьмина нашла и другие инструктивные сигналы, которые способствуют дифференцировке МСК в бурый жир. Помимо агонистов альфа-1 адренорецепторов это еще и инсулин, причем он работает и в комбинации с первым.

Вся эта новая информация может быть впоследствии использована в регенеративной медицине, отметил докладчик. Научившись понимать, на каком «языке» общаются стволовые клетки, люди смогут инструктировать их делать из них те типы клеток, которые нужны для здоровья организма.