Прямое перепрограммирование клеток с помощью редактирования генов
Исследователи использовали CRISPR — революционную технику генной инженерии — для превращения клеток соединительной ткани мыши непосредственно в нейрональные клетки.
В 2006 году Синъя Яманака открыл, как вернуть взрослые клетки соединительной ткани (фибробласты) в состояние незрелых стволовых клеток, способных превращаться в любой тип клеток. Эти индуцированные плюрипотентные стволовые клетки принесли ему Нобелевскую премию по медицине.
С тех пор ученые искали другие способы конвертации клеток, в основном вводя множество дополнительных копий генов-"главных выключателей". Эти гены производят белки, включающие целые генетические сети, ответственные за создание определенного типа клеток.
Теперь исследователи из Университета Дьюка разработали стратегию, которая не требует дополнительных копий генов. Вместо этого модифицированная техника CRISPR используется для прямого включения естественных копий генов, уже присутствующих в геноме.
Первые результаты показывают, что вновь преобразованные нейрональные клетки демонстрируют более полную и стабильную конверсию по сравнению с методом, при котором новые гены постоянно добавляются в геном. Эти клетки можно использовать для моделирования неврологических расстройств, открытия новых терапевтических средств, разработки персонализированных лекарств и, возможно в будущем, для клеточной терапии.
Исследование опубликовано 11 августа 2016 года в журнале Cell Stem Cell.
Новый подход к перепрограммированию
"Эта техника имеет множество применений в науке и медицине. Например, мы можем предсказать, как нейроны большинства людей отреагируют на лекарство, но не знаем, как отреагируют ваши нейроны с вашей генетикой", — говорит Чарльз Герсбах, руководитель исследования. "Взять биопсию вашего мозга для тестирования нейронов — не вариант. Но если мы возьмем клетку кожи с вашей руки, превратим ее в нейрон и затем обработаем различными комбинациями препаратов, мы сможем определить оптимальную персонализированную терапию".
Основная задача — эффективно генерировать стабильные нейроны с генетической программой, идентичной настоящим нейронам.
Концепция "эпигенетического ландшафта"
В 1950-х годах профессор Конрад Уоддингтон предложил метафору: дифференцировку стволовых клеток можно представить как скатывание с горы в одну из многих долин. Чтобы изменить конечный пункт, можно либо толкнуть клетку обратно вверх по склону (идея перепрограммирования в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки), либо горизонтально — через холм прямо в другую долину.
"Если у вас есть возможность специфически включить все гены нейронов, возможно, вам не нужно возвращаться вверх по холму", — объясняет Герсбах.
Преимущества метода CRISPR
Предыдущие методы использовали вирусы для введения дополнительных копий генов, производящих "главные" транскрипционные факторы. У этого подхода есть недостатки.
"Вместо того чтобы использовать вирус для постоянного введения новых копий существующих генов, желательно обеспечить временный сигнал, который стабильно изменит тип клетки", — говорит Джошуа Блэк, аспирант из лаборатории Герсбаха, ведущий автор работы.
В новом исследовании команда использовала CRISPR для точной активации трех генов, которые естественным образом производят главные транскрипционные факторы, контролирующие нейрональную генную сеть. Система CRISPR была модифицирована: вместо разрезания ДНК она была соединена с активатором гена.
Результаты эксперимента
CRISPR система была введена в фибробласты мыши в лаборатории. Тесты показали, что активация трех генов транскрипционных факторов надежно включила нейрональные гены. Это заставило фибробласты проводить электрические сигналы — отличительный признак нейрональных клеток. И даже после того, как активаторы CRISPR исчезли, клетки сохранили свои нейрональные свойства.
"Когда мы воздействуем на клетки главными транскрипционными факторами, созданными вирусами, можно заставить клетки вести себя как нейроны. Но если они действительно стали автономно функционирующими нейронами, то они не должны требовать постоянного присутствия этого внешнего стимула", — отмечает Герсбах.
Эксперименты показали, что новая техника CRISPR производит нейрональные клетки с эпигенетической программой в целевых генах, соответствующей естественным нейрональным маркерам в ткани мозга мыши.
"Метод с вирусом производит много транскрипционных факторов, но очень мало их производится из нативных копий этих генов. В отличие от этого, подход CRISPR не производит столько транскрипционных факторов в целом, но все они производятся из нормальной хромосомной позиции, что является ключевым отличием, поскольку они стабильно активированы. Мы переключаем эпигенетический переключатель, чтобы преобразовать типы клеток, а не заставляем их делать это синтетически", — объясняет Блэк.
Следующие шаги и перспективы
Следующие шаги — распространить метод на человеческие клетки, повысить его эффективность и попытаться преодолеть другие эпигенетические барьеры, чтобы применять его для моделирования конкретных заболеваний.
"В будущем можно представить создание нейронов и их имплантацию в мозг для лечения болезни Паркинсона или других нейродегенеративных состояний. Но даже если мы не зайдем так далеко, с этими клетками в лаборатории можно сделать многое, чтобы помочь разработать более эффективные методы лечения", — заключает Герсбах.