Компьютерное моделирование визуализирует, как ДНК распознаётся для превращения клеток в стволовые
Исследователи из группы Влади Коджокару вместе с коллегами из Института Макса Планка в Мюнстере (Германия) раскрыли, как ключевой белок помогает активировать геномную ДНК при превращении обычных взрослых клеток человека в стволовые. Их результаты опубликованы в Biophysical Journal.
Идентичность клетки определяется тем, какая ДНК «считывается» или «не считывается» в данный момент. Сигналы в клетке для начала или остановки считывания ДНК передаются через белки, называемые факторами транскрипции. Изменения идентичности естественным образом происходят во время развития, когда клетки переходят из неспециализированного состояния в определённый тип. Оказывается, эти переходы можно и обратить вспять. В 2012 году японские исследователи получили Нобелевскую премию за то, что впервые заставили обычную клетку кожи вернуться в состояние стволовой клетки.
Более полное понимание молекулярных процессов для клеточной терапии
До сих пор точно неизвестно, как именно происходит превращение клетки кожи в стволовую клетку на молекулярном уровне. «Полное понимание этих процессов с атомарной детализацией необходимо, если мы хотим в будущем надёжно и эффективно производить такие клетки для отдельных пациентов», — говорит руководитель исследования Влад Коджокару из Института Хубрехта. «Считается, что такие искусственно созданные клеточные типы в будущем могут стать частью решения таких заболеваний, как Альцгеймер и Паркинсон, но процесс их производства должен стать более эффективным и предсказуемым».
Пионерный фактор транскрипции
Один из главных белков, участвующих в генерации стволовых клеток, — фактор транскрипции Oct4. Он индуцирует экспрессию (активность) генов белков, которые «перезагружают» взрослую клетку в стволовую. Эти индуцируемые гены неактивны во взрослых клетках и находятся в плотно упакованном, закрытом состоянии хроматина — структуры, хранящей ДНК в ядре клетки. Oct4 способствует открытию хроматина, чтобы позволить экспрессию этих генов. За это Oct4 известен как пионерный фактор транскрипции.
Данные Коджокару и его аспиранта, первого автора публикации Яна Уэртаса, показывают, как Oct4 связывается с ДНК на так называемых нуклеосомах — повторяющихся ядерных структурах в хроматине. Коджокару: «Мы смоделировали Oct4 в различных конфигурациях. Молекула состоит из двух доменов, только один из которых способен связываться с определённой последовательностью ДНК на нуклеосоме на этой стадии процесса. С помощью наших симуляций мы обнаружили, какие из этих конфигураций стабильны и как динамика нуклеосом влияет на связывание Oct4. Модели были подтверждены экспериментами, проведёнными нашими коллегами Кейтлин Маккарти и Хансом Шёлером в Мюнстере».
На шаг ближе к созданию искусственных факторов
Впервые компьютерное моделирование показало, как пионерный фактор транскрипции связывается с нуклеосомами, чтобы открыть хроматин и регулировать экспрессию генов. «Наш вычислительный подход для получения моделей Oct4 также можно использовать для скрининга других факторов транскрипции и выяснения, как они связываются с нуклеосомами», — говорит Коджокару.
Более того, Коджокару хочет усовершенствовать текущие модели Oct4, чтобы предложить окончательную структуру комплекса Oct4-нуклеосома. «Уже почти 15 лет мы знаем, что Oct4 вместе с тремя другими пионерными факторами превращает взрослые клетки в стволовые. Однако мы до сих пор не знаем, как именно они это делают. Экспериментальное определение структуры для такой системы очень дорого и требует много времени. Мы стремимся получить одну окончательную модель связывания Oct4 с нуклеосомой, комбинируя компьютерное моделирование с различными лабораторными экспериментами. Надеемся, наша окончательная модель даст нам возможность создавать искусственные пионерные факторы транскрипции для эффективного и надёжного производства стволовых клеток и других клеток, необходимых в регенеративной медицине».