Пигментные клетки рыбки данио подсказали новую модель клеточной дифференцировки

Команда британских и российских специалистов, представляющих Батский университет в Великобритании, Институт общей генетики РАН и другие научные организации, исследовала особенности дифференцировки мультипотентных клеток нервного гребня рыбки зебрафиш (Danio rerio). Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communication. Эта рыбка — очень удобная модель для исследования дифференцировки, так как у нее имеются пигментные клетки трех разных цветов: черные меланоциты, серебристые иридофоры и золотистые ксантофоры. Все они, как и множество других типов клеток, развиваются из клеток нервного гребня, которые мигрируют в разные места организма.

Исследователи проследили судьбу 1317 клеток нервного гребня мальков Danio rerio. Как в любой работе по изучению дифференцировки, клетки-предшественники были еще в эмбрионах (в икринках) помечены зеленым флуоресцентным белком (GFP), ген которого соединили с геном дифференцировки клеток нервного гребня (Sox10). В результате все клетки, встающие на путь дифференцировки в клетки нервного гребня и его производных, в ультрафиолете начинали светиться зеленым цветом. С помощью технологии NanoString авторы проанализировали экспрессию 45 генов в каждой клетке. Технология основана на гибридизации: на подложке размещены зонды из фрагментов мРНК для генов, активность которых характерна для того или иного клеточного типа. Достоинство этой технологии — высокая чувствительность: можно измерять сигналы от единичных молекул РНК.

Среди клеток-предшественников выделили различные кластеры с характерными для каждого паттернами экспрессии генов и, соответственно, белков-маркеров. Были найдены кластеры клеток, экспрессирующих гены нейронов, глиальных клеток, а также три кластера предшественников трех типов пигментных клеток. Наличие цветных пигментных клеток служило дополнительным контролем для группировки клеток в кластеры — можно было убедиться, что клетки-предшественники экспрессируют те же гены, что и зрелые пигментные клетки.

Таким образом авторы идентифицировали клетки — предшественники меланоцитов, иридофоров, ксантофоров, а также предшественники нейронов и глиальных клеток. В эксперименте также участвовали клетки-мутанты, в которых нокаутировали ген Sox10, и они застревали на недифференцированной стадии развития клеток нервного гребня.

На сегодня существуют две концепции дифференцировки клеток нервного гребня. Одна, называемая моделью direct fate restriction (DFR), постулирует, что судьба клетки-предшественника во время миграции определяется в первую очередь тем, куда она попадает — грубо говоря, приползла в кожу, значит, становится пигментной клеткой, характерной для кожи. Другая концепция, модель progressive fate restriction (PFR), утверждает, что клетки нервного гребня еще до миграции «приблизительно знают», кем они должны стать, и мигрируют в соответствующие места. Предполагается, что их выбор в пути сужается постепенно, например клетки, которым предназначено стать нейронами, по дороге выбирают себе конкретную специализацию — вегетативного или периферического нейрона. При этом в клетках должны работать «гены выбора судьбы», например, для того, чтобы клетка могла стать иридофором, в клетке-предшественнике должен работать фермент лейкоциттирозинкиназа (Ltk), а для того, чтобы клетка могла стать меланоцитом — фермент тирозиназа (Tyr).

В общей сложности из клеток нервного гребня образуется более 10 клеточных типов. В их числе клетки хрящей, но оказалось, что линия их предшественников отделяется на более ранней стадии. Изученные в данной работе клетки-предшественники экспрессируют маркеры пяти клеточных типов и развиваются в нейроны, глиальные клетки, меланоциты, иридофоры и ксантофоры. Вопреки ожиданию, исследование показало, что не существует отдельного предшественника пигментных клеток — все пять клеточных типов имеют общего предшественника.

Клетки нового типа формируют один из пяти производных типов в ответ на сигналы, поступающие из внешней среды, то есть по механизму, сходному с direct fate restriction. Исходно модель DFR была отвергнута потому, что в ней возникают сложности с объяснением некоторых известных экспериментов. Например, существуют рыбки-мутанты (nacre), не имеющие меланоцитов, потому что у них отсутствует запускающий их дифференцировку белок — транскрипционный фактор MItfa. Однако у таких мутантов сильно повышено число иридофоров. В рамках модели PFR такое явление легко объяснялось наличием общего предшественника меланоцитов и иридофоров — меланоиридобласта; такие клетки вынуждены все дифференцироваться в иридофоры, если путь дифференцировки в меланоциты закрыт. Однако в модели DFR, в которой клетки долго сохраняют возможность дифференцироваться в разные клеточные типы, такие компенсаторные эффекты трудно объяснить.

В результате авторы предложили новую модель клеточной дифференцировки, промежуточную между двумя существующими моделями (см. рисунок в статье). В рамках этой модели клетки динамически приобретают и теряют способность дифференцироваться в конкретный клеточный тип из пяти разрешенных типов. При этом они явно воспринимают какие-то сигналы из тканей, которые помогают им выбрать судьбу, но, кроме того, в каждый момент «знают» клеточный тип, в который они переходят, если такой сигнал поступает, и предпочтительный клеточный тип, в которое они переходят, если сигнал не поступает. Скажем, если клетка находится в состоянии готовности к дифференцировке в меланоцит, но не получает соответствующего сигнала, она переходит в состояние готовности к дифференцировке в иридофор, если сигнал дифференцировки в иридофоры тоже не приходит, клетка приходят в состоянии готовности дифференцировки в нейроны, и т.д. Эта модель гибкая, не жестко детерминированная.

На вопрос PCR.NEWS ответил один из руководителей работы, член-корр. РАН Всеволод Макеев.

— Насколько универсален механизм клеточной дифференцировки, который вы описали? Может ли он распространяться на других животных и человека?

— Похожее явление мы наблюдали и раньше, на эмбриональных стволовых клетках мыши или человека. Они также могли менять состояние способности к дифференцировке в зависимости от внешних сигналов, только в той системе было всего два состояния — покоя и активного развития. Так что, скорее всего, эта модель должна работать и для других систем, и для других позвоночных.

Созданы искусственные клетки, управляющие дифференцировкой нейронов