«Случайные» колебания экспрессии генов влияют на дифференцировку клеток

Экспрессионный шум, то есть колебания уровня экспрессии генов вокруг среднего уровня, может оказаться ключом к получению индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в большом количестве. Выяснилось, что он повышает чувствительность клеток к сигналам дифференцировки и дедифференцировки.

Credit:

juangaertner | 123rf.com

Ученые из Института Гладстона (Сан-Франциско) вместе с коллегами обнаружили важную регуляторную роль экспрессионного шума — случайных флуктуаций уровня экспрессии генов, не изменяющих ее средний уровень. Экспрессионный шум известен давно, однако большинство ученых считало его побочным эффектом процессов, происходящих в клетке, что не способствовало интересу к этому явлению. Теперь оказалось, что повышение экспрессионного шума способствует как программированию стволовых клеток, так и репрограммированию уже дифференцированных.

В 2006 году под руководством Синъя Яманаки были получены индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS, ИПСК), соответственно, подтвердилась возможность дифференцированных клеток возвращаться в более потентное состояние. Это дало мощный толчок к развитию технологий на основе стволовых клеток. Синъя Яманака получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 2012 году; в Институте Гладстона он занимает должность ведущего исследователя, однако в этой работе он не участвовал.

Однако применение ИПСК ограничивается низкой эффективностью существующих протоколов их получения. Поэтому открытие новых факторов, влияющих на дифференцировку, имеет большое значение.

Исследование дифференцировки клеток не было первоначальной задачей ученых из Гладстонского института. Они исследовали латентную персистенцию (скрытное, бессимптомное пребывание) вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) в клетках пациентов и разрабатывали метод, который бы помог сначала вывести вирус из спящего состояния, а затем его уничтожить.

Ученые тестировали лекарства для первого этапа борьбы с персистентностью ВИЧ и неожиданно обнаружили, что соединения, увеличивающие экспрессионный шум, повышают эффективность лекарств, которые выводят ВИЧ из спящего состояния.

Чтобы выяснить, какие механизмы за этим стоят, исследователи решили проверить, будут ли влиять эти вещества и на клетки, не содержащие ВИЧ, и как именно. Для исследования выбрали эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) мышей, а в качестве вещества, усиливающего экспрессионный шум, — 5’-иодо-2’-дезоксиуридин. (IdU). Интенсивность транскрипции определяли методом секвенирования РНК единичных клеток.

Полученные результаты удивили ученых ─ с повышением экспрессионного шума увеличивалась и скорость дифференцировки ЭСК. «Попытка понять, как работают эти молекулы, превратилась в исследование одного из фундаментальных биологических механизмов», ─ говорит Леор Уайнбергер, один из ведущих авторов работы.

Исследовательская группа установила, что один из ключевых игроков — белок APEX1 (AP endonuclease 1) ─ лиаза, участвующую в репарации ДНК при появлении остатков дезоксирибозы без азотистого основания. APEX1 вызывает суперскручивание двойной спирали, а суперскручивание, в свою очередь, влияет на транскрипционные «всплески» — делает их более короткими, но увеличивает интенсивность. Иначе говоря, экспрессия генов сначала снижается, а потом растет.

Этот механизм авторы назвали DiThR — discordant transcription through repair, «дискордантная транскрипция через репарацию» (произносится как dither, что означает «колебания, дрожь»). По-видимому, он повышает чувствительность клетки к сигналам, определяющим их дальнейшую участь. Это открывает интригующие возможности, отмечают авторы: возможно, модифицированные основания, которые присутствуют в ДНК природных ЭСК, играют роль в их будущей дифференцировке.

Более того: как показали опыты на мышиных эмбриональных фибробластах, DiThR может способствовать и обратному процессу — дедифференцировке клеток, усиливая действие факторов Яманаки. Не исключено, что исследования в этом направлении помогут повысить эффективность получения ИПСК.

Источники

Ravi V. Desai, et al. // A DNA-repair pathway can affect transcriptional noise to promote cell fate transitions. // Science 22 Jul 2021: eabc6506, published online 22 July 2021. DOI: 10.1126/science.abc6506

Цитата по пресс-релизу

Добавить в избранное

Вам будет интересно