Стволовые клетки памяти ускоряют заживление ран и повышают риск онкозаболеваний

Эпителиальные клетки, участвовавшие в заживлении ран, приобретают способность более эффективно реагировать на повреждения кожи в будущем. Ранее считалось, что эта адаптация носит локальный характер, однако результаты опубликованной в Nature Cell Biology работы говорят об обратном.

В заживлении ран участвуют стволовые клетки эпителия, обеспечивающие обновление эпителиальной ткани. Ранее была выявлена их способность «обучаться» и приобретать память о повреждении. Такое свойство было открыто на тех популяциях стволовых клеток, которые располагаются вблизи от раны. Теперь же обнаружено, что память о повреждении могут приобретать не только те стволовые клетки, которые расположены непосредственно возле раны. Авторы новой работы продемонстрировали, что существуют особые популяции стволовых клеток, формирующих эпителиальные клетки-предшественники с долговременной памятью о перенесенном повреждении. При этом сами эти популяции формируются на удалении от раны и участия в ее заживлении не принимают.

Исследования регенерации кожи проводились на мышиной модели. Один и тот же участок кожи хвоста последовательно повреждали два раза с интервалом в 8 недель, и оказалось, что вторая рана заживает быстрее первой. Поскольку эпигенетическая память о повреждении была обнаружена в первую очередь в стволовых клетках волосяных фолликулов, авторы работы сосредоточились именно на них.

В работе было изучено три популяции стволовых клеток фолликулов: Lrig1+, Gata6+ и Lgr5+. Эти популяции отличаются в том числе локализацией — Lrig1⁺ клетки расположены в соединительной зоне фолликула (junctional zone), Gata6+ — в верхней части пилосебацейного комплекса (это совокупность волосяного фолликула и сальной железы), а Lgr5+ занимают нижнюю часть фолликула. Каждая из клеточных популяций была помечена генетически кодируемым флуоресцентным репортером. На полученной модели авторы работы показали, что при заживлении второй раны клетки Lrig1⁺ и Lgr5⁺ активнее участвуют в восстановлении эпителия, чем при первом повреждении. Gata6⁺ клетки подобных свойств не проявили. При этом вклад Lrig1⁺ клеток в восстановление эпителия был выше, чем у Lgr5⁺.

Для обеих клеточных линий авторы провели транскриптомный анализ. Они выделяют группу генов, которую назвали генами памяти: изменение их экспрессии было ассоциировано с заживлением раны. Такие гены изменяли свою экспрессию и при втором заживлении, причем сильнее, чем в первый раз. Количество генов памяти в Lrig1⁺ клетках было выше, чем у Lgr5⁺.

Сами гены были разделены авторами работы на две группы: одни меняли свой паттерн экспрессии необратимо, а изменение экспрессии других индуцировалось повреждением и после заживления возвращалось к исходному уровню. Почти 90% генов памяти в Lrig1⁺ клетках относилось к первой, необратимо меняющейся группе. Эта же популяция стволовых клеток могла «обучаться», находясь в удалении от раны, тогда как другие два типа клеток такой способностью не обладали.

Авторы предположили, что способность к «обучению» обеспечивается именно конститутивным изменением экспрессии, связанным с наличием прайминга как адаптации к повреждениям. Праймингом, как и в случае иммунных клеток, здесь называют индукцию памяти в ответ на конкретный раздражитель, позволяющую в будущем давать на него же более сильный ответ.

Анализ генной онтологии и проведенный на клеточных культурах анализ миграции указывают на изменение фенотипа Lrig1⁺ клеток памяти — способность к миграции у них выше, чем у наивных Lrig1⁺ клеток.

Дальнейшие исследования транскрипции при помощи секвенирования РНК единичных клеток (scRNA-seq) и анализ хроматинового ландшафта методом ATAC-seq подтвердили прайминг на уровне генов, ассоциированных с активацией клеток. Авторы приходят к выводу, что прайминг обеспечивается повышением доступности участков хроматина, в которых находятся ассоциированные с миграцией гены. Такие изменения хроматинового ландшафта происходят в клетках после первого повреждения кожи и сохраняются в дальнейшем. Существенный вклад в ремоделинг хроматина в данном случае вносит снижение количества убиквитиновой метки на гистоне H2AK119ub.

Поскольку регенерация и онкогенез имеют много общих черт, авторы работы изучили также влияние данного механизма на риск развития опухолей. И действительно, эксперименты на мышах, у которых после повреждения кожи сформировались популяции стволовых клеток памяти, показали, что облучение ультрафиолетом B индуцирует образование опухолей активнее, чем в контрольной группе. Исследователи связывают это с изменением хроматинового ландшафта — снижение количества репрессивной гистоновой метки H2AK119ub может стимулировать формирование опухолевых клеток.

Заживление ран происходит при помощи подкожных «пластырей»