Репрограммирование клеток оставляет «след»

Исследователи из Института биологических исследований Солка обнаружили, что репрограммирование взрослых клеток для возвращения им плюрипотентного состояния оставляет неизгладимый след. Команда под руководством профессора Джозефа Экера, изучив эпигеномы индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) с разрешением до отдельных нуклеотидов, обнаружила устойчивую картину ошибок репрограммирования.

Более того, эти неполностью или неадекватно репрограммированные участки сохраняются при дифференцировке iPSC в более специализированные типы клеток, формируя специфическую для iPSC сигнатуру. «Глядя на эти участки, мы можем определить, является ли клетка iPSC или эмбриональной стволовой клеткой (ЭСК), — говорит Экер. — Но мы пока не знаем, что это значит для их потенциала самообновления или дифференцировки».

Результаты, опубликованные 3 февраля 2011 года в журнале Nature, подтверждают, что iPSC, которые по всем внешним признакам выглядят и ведут себя как ЭСК, всё же отличаются от них в определённых аспектах. Это подчёркивает необходимость дальнейших исследований, прежде чем iPSC смогут по праву заменить ЭСК.

Репрограммирование соматических клеток не создаёт тех же этических дилемм, что работа с клетками, выделенными из эмбрионов. Это побудило учёных развивать технологию iPSC, чтобы получить человеческие клетки, столь же мощные, как ЭСК, в надежде на будущее применение в регенеративной медицине.

«Эмбриональные стволовые клетки считаются золотым стандартом плюрипотентности, — отмечает Экер. — Поэтому нам нужно знать, отличаются ли iPSC от ЭСК, и если да, то как».

Процесс репрограммирования, который «отматывает время назад» и наделяет полностью дифференцированные клетки плюрипотентным потенциалом, является не генетическим, а эпигеномным преобразованием. Эпигеном отличает фибробласт от гепатоцита, а стволовую клетку — от дифференцированной. Почти каждая клетка тела содержит один и тот же геном, но эпигеномные метки — небольшие химические «ярлыки» на ДНК — определяют профиль экспрессии генов и, следовательно, судьбу клетки.

Исследователи из Солка и их коллабораторы изучили полногеномные профили метилирования ДНК (один из важнейших эпигенетических маркеров) с разрешением до отдельных оснований в пяти линиях iPSC, а также в ЭСК, соматических клетках и дифференцированных производных iPSC и ЭСК.

Репрограммирование вызывает масштабную перестройку паттерна метилирования ДНК по всему геному: частично метилированные домены возвращаются в полностью метилированное состояние; восстанавливается так называемое не-CG метилирование; большинство неметилированных и метилированных CG-островков (играющих ключевую роль в регуляции активности генов) перепрограммируется в состояние, подобное ЭСК.

«В целом этот процесс приводит к паттерну метилирования iPSC, очень похожему на ЭСК, — говорит постдок Райан Листер. — Но когда мы начали копать глубже, то обнаружили существенные различия».

Эксперименты выявили значительную вариабельность между линиями iPSC, включая «память» о ткани происхождения. «Некоторые метки сохраняются, — объясняет Экер. — Если iPSC получены из жировой ткани, мы видим, что они "помнят" некоторые метки метилирования от жировой клетки». Кроме того, в iPSC были идентифицированы новые паттерны метилирования, не встречающиеся ни в ЭСК, ни в исходных тканях. Многие регионы, демонстрирующие эпигеномные изменения, были нарушены во всех изученных линиях iPSC.

Независимо от их индивидуальной истории, все iPSC показали общий дефект — «горячие точки» вблизи теломер и центромер, оказавшиеся устойчивыми к репрограммированию. Эти участки длиной в среднем более миллиона пар оснований не приобретали характерного для ЭСК не-CG метилирования.

«Эти регионы — настоящие сигнатуры, — объясняет постдок Маттиа Пелиццола. — Они общие для iPSC, полученных из разных родительских клеток, разными исследовательскими группами и с использованием разных методик. Более того, эти регионы совпадают со специфическими модификациями гистонов, а гены в пределах этих регионов менее экспрессированы».

Однако при более детальном рассмотрении выяснилось, что для CG-островков наблюдается обратная картина. «Следствием является то, что некоторые гены в этих областях, по-видимому, заглушаются изменёнными паттернами метилирования CG-островков в iPSC, — говорит Листер. — Вполне возможно, эти изменения могут ограничивать потенциальную судьбу iPSC».

Чтобы лучше понять последствия, учёные изучили эти регионы после дифференцировки ЭСК и iPSC в трофобласты (стандартный тест на дифференцировку). Подмножество специфичных для iPSC меток репрессии с высокой частотой передавалось дифференцированным клеткам. «От них не так просто избавиться, — говорит Листер. — Их можно использовать как диагностический маркер неполного репрограммирования».

Экер добавляет: «Теперь, когда мы знаем о существовании этих регионов, мы хотим понять, почему они не могут быть репрограммированы в состояние, более близкое к ЭСК».