Ученые выделили неуловимую клетку, способную регенерировать целого плоского червя

Исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрс выделили единственную клетку, способную регенерировать целый организм. Более века ученые наблюдали эффекты этого клеточного чуда, позволяющего таким существам, как планарии, выполнять «невозможные» трюки, например, отращивать отсеченную голову. Но до недавнего времени у них не было инструментов, чтобы выявить и отследить эту клетку, чтобы наблюдать ее в действии и раскрыть ее секреты.

Теперь, благодаря новой методике, объединяющей геномику, анализ отдельных клеток, проточную цитометрию и визуализацию, ученые изолировали эту удивительную регенеративную клетку — подтип давно изучаемых взрослых плюрипотентных стволовых клеток (необластов) — до того, как она выполнила свое замечательное действие. Результаты, опубликованные 14 июня 2018 года в журнале Cell, вероятно, ускорят биологические исследования высокорегенеративных организмов, таких как планарии, и будут полезны для регенеративной медицины для других организмов, например, людей, с меньшей регенеративной способностью.

«Это первый случай, когда взрослая плюрипотентная стволовая клетка была выделена проспективно», — говорит Алехандро Санчес Альварадо, доктор философии, исследователь из Института Стоуэрс и Медицинского института Говарда Хьюза, старший автор исследования. «Наше открытие по сути говорит, что это больше не абстракция, что действительно существует клеточная сущность, которая может восстановить регенеративные способности у животных, которые их утратили, и что эту сущность теперь можно очистить в живом виде и детально изучить».

Каждый многоклеточный организм строится из одной клетки, которая делится на две идентичные, затем на четыре и так далее. Каждая из этих клеток содержит точно такие же скрученные нити ДНК и считается плюрипотентной — то есть может дать начало всем возможным типам клеток в организме. Но в какой-то момент эти стартовые клетки — известные как эмбриональные стволовые клетки — обрекают себя на иную судьбу и становятся клетками кожи, сердца, мышц или другим типом клеток. У людей после рождения не остается известных плюрипотентных стволовых клеток. У планарий они сохраняются во взрослом состоянии, где их называют взрослыми плюрипотентными стволовыми клетками или необластами. Ученые полагают, что эти необласты хранят секрет регенерации.

Хотя необласты были предметом научных исследований с конца 1800-х годов, лишь в последние пару десятилетий ученые смогли охарактеризовать эту мощную популяцию клеток с помощью функциональных анализов и молекулярных методов. Их усилия показали, что эта, казалось бы, однородная популяция клеток на самом деле является совокупностью разных подтипов с разными свойствами и разными паттернами экспрессии генов.

«Нам, возможно, придется трансплантировать более сотни отдельных клеток в столько же червей, чтобы найти одну, которая является по-настоящему плюрипотентной и может регенерировать организм», — говорит Санчес Альварадо. «Это много работы, просто чтобы найти одну клетку, соответствующую функциональному определению истинного необласта. И если мы хотим определить ее молекулярно, идентифицируя гены, которые она экспрессирует, мы должны разрушить клетку для обработки. Не было способа сделать это и сохранить клетку живой, чтобы отслеживать ее во время регенерации».

Санчес Альварадо и его команда начали искать отличительную характеристику, которая могла бы заранее идентифицировать эту неуловимую клетку. Одной из черт, давно использовавшихся для отличия необластов от других клеток, был маркер стволовых клеток piwi-1, поэтому постдокторант Ан Цзэн, доктор философии, решил начать с него. Сначала он отделил клетки, экспрессирующие этот маркер, от тех, которые его не экспрессируют. Затем он заметил, что клетки можно разделить на две группы — одну с высоким уровнем экспрессии piwi (piwi-high) и другую с низким уровнем (piwi-low). Когда Цзэн изучил эти группы, он обнаружил, что только клетки piwi-high соответствуют молекулярному определению необластов. Остальные он отбросил.

«Такой одновременный количественный анализ экспрессии генов и уровня белка ранее никогда не проводился у планарий», — говорит Санчес Альварадо. «Мы не смогли бы этого сделать без удивительной научной поддержки в Стоуэрс, включая группы молекулярной биологии, проточной цитометрии, биоинформатики и визуализации. Многие исследователи предполагали, что все клетки, экспрессирующие piwi-1, являются истинными необластами, и неважно, сколько маркера они экспрессируют. Мы показали, что это имеет значение».

Затем Цзэн отобрал около 8000 клеток piwi-high и проанализировал паттерны экспрессии их генов. К его удивлению, клетки разделились не на одну или две, а на 12 разных подгрупп. Методом исключения Цзэн отсеял любые подгруппы с генетическими сигнатурами, указывающими, что клетки предназначены для конкретной судьбы, например, стать мышцей или кожей. Это оставило ему две подгруппы, которые все еще могли быть плюрипотентными, названные Nb1 и Nb2.

Удобно, что клетки подгруппы Nb2 экспрессировали ген, кодирующий член семейства белков тетраспанинов — группы эволюционно древних и малоизученных белков, расположенных на поверхности клеток. Цзэн создал антитело, которое могло связываться с этим белком, выделяя несущие его клетки из смеси других предполагаемых необластов. Затем он трансплантировал единственную очищенную клетку планарии, подвергнутой летальному уровню радиации. Эти клетки не только заселили и спасли облученных животных, но и делали это в 14 раз более стабильно, чем клетки, очищенные старыми методами.

«Мы обогатили популяцию плюрипотентных стволовых клеток, что открывает дверь к ряду экспериментов, которые ранее были невозможны», — говорит Санчес Альварадо. «Тот факт, что обнаруженный нами маркер экспрессируется не только у планарий, но и у людей, предполагает, что существуют некоторые консервативные механизмы, которые мы можем использовать. Я ожидаю, что эти первые принципы будут широко применимы к любому организму, который когда-либо полагался на стволовые клетки, чтобы стать тем, кем он является сегодня. А это, по сути, все».