Генетический инструмент для создания и анализа анеуплоидий
Более 80% ранних человеческих эмбрионов содержат клетки с неправильным числом хромосом — явление, называемое анеуплоидией. Обычно это происходит из-за ошибок в расхождении хромосом во время первых клеточных делений.
Примечательно, что анеуплоидные клетки элиминируются до имплантации. Если этого не происходит, анеуплоидия приводит к выкидышам или нарушениям развития. Понимание механизмов устранения таких клеток на ранних стадиях важно для изучения фертильности и может иметь значение для таких заболеваний, как рак.
Команда под руководством доктора Марко Милана в IRB Barcelona разработала инструмент, который может создавать заданные анеуплоидии и точно маркировать несущие их клетки в живой ткани, предоставляя беспрецедентную возможность наблюдать за их поведением в реальном времени.
Метод, опубликованный в журнале Cell Genomics, действует как «молекулярные ножницы», позволяя изменять количество копий крупных участков генома, приводя как к моносомиям (одна копия), так и к трисомиям (три копии).
«Мы можем выбрать, какую часть генома хотим изменить, и сразу наблюдать, как клетки реагируют», — объясняет доктор Милан, исследователь ICREA в IRB Barcelona. Инструмент был протестирован на эпителиальной ткани плодовой мушки Drosophila.
Основные выводы исследования: с одной стороны, выявлено большое количество гаплонедостаточных генов (генов, одной копии которых недостаточно для нормального роста и выживания моносомических клеток), а с другой — их удаление ускоряется клеточной конкуренцией с более приспособленными соседними клетками. Таким образом, элиминация анеуплоидных клеток зависит как от внутреннего генетического дефицита, так и от окружения.
Когда «не хватает копии инструкции»
Моносомические клетки теряют одну из двух хромосомных доз, что затрагивает десятки или сотни ключевых генов. Некоторые из этих генов являются гаплонедостаточными: одной копии уже недостаточно для выработки необходимого количества белка для полноценной работы клеточных механизмов.
Среди наиболее известных гаплонедостаточных генов — те, что кодируют рибосомные белки, основные строительные блоки аппарата синтеза белка клетки. Когда клетка внезапно снижает количество даже одной рибосомной субъединицы, общий синтез белка замедляется, что ведет к повышению клеточного стресса. Этот дефицит превращает клетку в «слабого игрока» в ткани.
Благодаря одной из двух систем, разработанных в этой работе (позволяющей генерировать моносомические клетки в нормальной ткани), было показано, что геном содержит большое количество гаплонедостаточных генов помимо кодирующих рибосомные белки. Исследование также демонстрирует, что моносомические клетки устраняются различными молекулярными механизмами клеточной конкуренции.
Клеточная конкуренция
Эксперименты показывают, что моносомические клетки растут медленнее, но их окончательная судьба определяется окружающими клетками. Благодаря второй системе, разработанной в этом исследовании (позволяющей генерировать моносомические и трисомические клетки одновременно в одной и той же ткани), исследователи наблюдали, что последние могут ускорять удаление моносомических клеток.
«Мы обнаружили, что "более приспособленные" клетки буквально выталкивают анеуплоидии в апоптоз; если же эти анеуплоидные клетки оставить в покое, они могут выжить», — говорит доктор Елена Фузари, первый автор исследования.
Результаты указывают, что взаимодействие между самими клетками так же важно, как и анеуплоидия. Эта идея открывает путь к разработке методов лечения, которые модифицируют соседние клетки, чтобы заставить их устранять патологические клоны.
Последствия для фертильности и онкологии
Воссоздание этой клеточной дуэли помогает объяснить, почему в клиниках экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) обычно отбраковывают эмбрионы с высоким уровнем анеуплоидии. «В области вспомогательной репродукции все чаще пересматривают текущие критерии отбора эмбрионов. Этот сдвиг происходит на фоне новых исследований, предполагающих, что эмбрионы действительно могут самостоятельно устранять проблемные клетки», — отмечает доктор Фузари.
Кроме того, понимание «правил» конкуренции между анеуплоидными клетками прокладывает путь к разработке терапий для очистки здоровой ткани от раковых клеток, которые также являются анеуплоидными.
Используя разработанный инструмент, команда планирует провести исчерпывающий поиск всех гаплонедостаточных регионов генома Drosophila. «Цель — составить карту того, какие гены запускают сигналы конкуренции и как мы можем модулировать этот ответ», — заключает доктор Милан.
В долгосрочной перспективе эти знания могут быть использованы для повышения успешности процедур вспомогательной репродукции и для разработки препаратов против анеуплоидии, которая характерна для многих опухолей.