Асимметричное распределение митохондрий поддерживает стволовость клеток
Ученые из Института Уайтхеда обнаружили, что при делении стволовые клетки различают старые и молодые митохондрии и распределяют их между дочерними клетками непропорционально. Клетка, которой суждено остаться стволовой, получает преимущественно молодые митохондрии, а клетка, предназначенная для дифференцировки в другой тип, — больше старых органелл.
Это асимметричное распределение клеточного содержимого может представлять собой механизм, с помощью которого стволовые клетки предотвращают накопление повреждений в своей линии с течением времени.
«Есть эволюционное преимущество в обновлении своих митохондрий, — говорит Дэвид Сабатини, чья лаборатория сообщает о феномене в журнале Science. — Стволовые клетки знают это и нашли способ избавляться от своих старых компонентов».
Одной из особенностей стволовых клеток является так называемое асимметричное деление. В отличие от обычных клеток, которые делятся симметрично, образуя две клетки с одинаковой судьбой, деление стволовой клетки может производить одну дочернюю клетку, которая останется стволовой, и другую, предназначенную для дальнейшей дифференцировки. Ученые наблюдали, что немлекопитающие организмы способны асимметрично распределять поврежденные компоненты при делении, но было неясно, могут ли так вести себя стволовые клетки млекопитающих.
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из лаборатории Сабатини изучили стволоподобные клетки (СПК) из культур иммортализованных эпителиальных клеток молочной железы человека. Эти СПК были выбраны, потому что они экспрессируют гены, связанные с состоянием стволовости, и способны образовывать в культуре структуры, известные как маммосферы. Чтобы отследить судьбу органелл при делении, исследователи под руководством бывшего постдока Пекки Катайисто пометили компоненты — включая лизосомы, митохондрии, аппарат Гольджи, рибосомы и хроматин — флуоресцентным белком, который светится при воздействии импульса ультрафиолетового света.
Проследив за перемещением светящихся органелл, исследователи смогли показать, что, в то время как нормальные эпителиальные клетки распределяли все помеченные компоненты симметрично, СПК локализовали свои старые митохондрии отдельно и передавали большую их часть дочерним клеткам, направленным на дифференцировку. В итоге исследователи обнаружили, что количество старых митохондрий в этих клетках было примерно в шесть раз больше, чем в дочерних клетках, чья судьба — остаться стволовыми.
В серии дополнительных экспериментов ученые обнаружили, что клетки, унаследовавшие меньше старых митохондрий при асимметричном делении, образовывали в три раза больше маммосфер на 1000 клеток, чем дочерние клетки, унаследовавшие большую долю старых митохондрий. Это указывало на то, что клетки с меньшим количеством старых органелл были, по критерию образования маммосфер, более стволоподобными. Кроме того, они обнаружили, что химическое нарушение собственных механизмов контроля качества митохондрий в клетках предотвращало асимметричное распределение молодых и старых митохондрий и вызывало потерю стволоподобных характеристик. В совокупности эти результаты указывают на то, что это непропорциональное распределение старых митохондрий при делении стволовых клеток необходимо для поддержания стволовости в следующем поколении.
«Хотя мы не знаем, как стволовые клетки распознают возраст своих митохондрий, вынужденное симметричное распределение старых митохондрий приводило к потере стволовости во всех дочерних клетках, — говорит Катайисто. — Это позволяет предположить, что селективное по возрасту распределение старых и потенциально поврежденных органелл может быть способом борьбы с истощением и старением стволовых клеток».
Катайисто теперь исследует, происходит ли этот феномен в других типах клеток, помимо изученных СПК молочной железы человека, а также в исследованиях in vivo.